معلومة

4.1: البكتيريا المتولدة - علم الأحياء


أهداف التعلم

  • وصف السمات الفريدة لكل فئة داخل البكتيريا البروتيوبتريا: Alphaproteobacteria ، Betaproteobacteria ، Gammaproteobacteria ، Deltaproteobacteria ، و Epsilonproteobacteria
  • أعط مثالا لبكتيريا في كل فئة من البكتيريا المتقنة

في عام 1987 ، اقترح عالم الأحياء الدقيقة الأمريكي كارل ووز (1928-2012) أن مجموعة كبيرة ومتنوعة من البكتيريا التي أطلق عليها "البكتيريا الأرجواني وأقاربها" يجب تعريفها على أنها شعبة منفصلة داخل مجال البكتيريا بناءً على تشابه النيوكليوتيدات تسلسل في الجينوم الخاص بهم.1 تلقت هذه الشعبة من البكتيريا سالبة الجرام اسم Proteobacteria. يحتوي على العديد من البكتيريا التي تشكل جزءًا من الكائنات الحية الدقيقة للإنسان بالإضافة إلى العديد من مسببات الأمراض. وتنقسم البكتيريا المتقنة أيضًا إلى خمس فئات: Alphaproteobacteria و Betaproteobacteria و Gammaproteobacteria و Deltaproteobacteria و Epsilonproteobacteria.

ألفا بروتيوبكتيريا

الفئة الأولى من البكتيريا المتقلبة هي بكتيريا ألفا. السمة الموحدة لهذه الفئة هي أنها قلة التغذية ، كائنات حية قادرة على العيش في بيئات منخفضة المغذيات مثل الرواسب المحيطية العميقة ، أو الجليد الجليدي ، أو التربة العميقة تحت السطح.

من بين بكتيريا ألفا بروتيوبتريا نوعان من الأصناف ، الكلاميديا ​​والريكتسيات ، التي تلزم مسببات الأمراض داخل الخلايا ، مما يعني أن جزءًا من دورة حياتها يجب أن يحدث داخل خلايا أخرى تسمى الخلايا المضيفة. عندما لا تنمو داخل خلية مضيفة ، الكلاميديا و ريكتسيا غير نشطة التمثيل الغذائي خارج الخلية المضيفة. لا يمكنهم تصنيع ثلاثي فوسفات الأدينوزين الخاص بهم (ATP) ، وبالتالي يعتمدون على الخلايا لاحتياجاتهم من الطاقة.

ريكتسيا النيابة. تشمل عددًا من مسببات الأمراض البشرية الخطيرة. على سبيل المثال، R. ريكتسي يسبب حمى روكي ماونتين المبقعة ، وهو شكل يهدد الحياة من التهاب السحايا (التهاب الأغشية التي تغلف الدماغ). R. ريكتسي يصيب القراد ويمكن أن ينتقل إلى البشر عن طريق لدغة من القراد المصاب (الشكل ( PageIndex {1} )).

نوع آخر من ريكتسيا, تم العثور على R. prowazekii، ينتشر عن طريق القمل. يسبب التيفوس الوبائي ، وهو مرض شديد العدوى شائع أثناء الحروب والهجرات الجماعية للبشر. prowazekii يصيب خلايا البطانة البشرية ، مما يسبب التهاب البطانة الداخلية للأوعية الدموية ، وارتفاع في درجة الحرارة ، وآلام في البطن ، وهذيان في بعض الأحيان. قريب، R. typhi، يسبب مرضًا أقل حدة يُعرف باسم التيفوس أو الفئران المتوطنة ، والذي لا يزال يُلاحظ في جنوب غرب الولايات المتحدة خلال المواسم الدافئة.

الكلاميديا هي فئة أخرى من البكتيريا ألفا. أعضاء هذا الجنس مقاومون للغاية للدفاعات الخلوية ، مما يمنحهم القدرة على الانتشار من مضيف إلى مضيف بسرعة عبر الأجسام الأولية. الأجسام الأولية غير النشطة من الناحية الأيضية والتكاثرية هي الشكل الشبيه بالبكتيريا داخل الخلايا التي تدخل إلى الخلية الظهارية ، حيث تصبح نشطة. يوضح الشكل ( PageIndex {2} ) دورة حياة ملف الكلاميديا.

المتدثرة الحثرية هو أحد مسببات الأمراض البشرية التي تسبب مرض الرمد الحبيبي ، وهو مرض يصيب العيون ، وغالبًا ما يؤدي إلى العمى. المتدثرة الحثرية يسبب أيضًا المرض الذي ينتقل عن طريق الاتصال الجنسي الورم الحبيبي اللمفاوي (LGV). غالبًا ما يكون هذا المرض مصحوبًا بأعراض خفيفة ، ويتجلى في شكل تورم في العقدة الليمفاوية الإقليمية ، أو قد يكون بدون أعراض ، ولكنه معدي للغاية وشائع في حرم الجامعات.

يلخص الجدول ( PageIndex {1} ) خصائص الأجناس المهمة لبكتيريا Alphaproteobacteria.الجدول ( PageIndex {1} ): فئة Alphaproteobacteria
جنسعلم الصرف المجهريمميزات خاصة
الأجرعيةعصيات سالبة الجرامممرض النبات؛ نوع واحد ، A. الورم، يسبب الأورام في النباتات
بارتونيلاسالبة الجرام ، متعددة الأشكال ، coccobacillusالبكتيريا الاختيارية داخل الخلايا ، التي تنتقل عن طريق القمل والبراغيث ، تسبب حمى الخندق ومرض خدش القطة في البشر
البروسيلاسالبة الجرام ، صغيرة ، كوكوباسيلوسالبكتيريا الاختيارية داخل الخلايا ، التي تنتقل عن طريق اللبن الملوث من الأبقار المصابة ، تسبب داء البروسيلات في الماشية والبشر
كولوباكترعصيات سالبة الجرامتستخدم في دراسات التكيف الخلوي والتمايز بسبب دورة حياتها الغريبة (أثناء انقسام الخلية ، تشكل خلايا "سرب" وخلايا "مطاردة")
الكلاميديابكتيريا سالبة الجرام أو كروية أو بيضاويةالبكتيريا الإجبارية داخل الخلايا. بعضها يسبب الكلاميديا ​​والتراخوما والالتهاب الرئوي
كوكسيلاعصيات صغيرة سالبة الجرامالبكتيريا الإجبارية داخل الخلايا. تسبب حمى كيو إمكانية استخدامها كسلاح بيولوجي
إرليخيابكتيريا صغيرة جدًا ، سالبة الجرام ، كروية أو بيضاويةالبكتيريا الإجبارية داخل الخلايا. يمكن نقلها من خلية إلى أخرى ؛ تنتقل عن طريق القراد. تسبب داء إيرليخ (تدمير خلايا الدم البيضاء والالتهابات) في البشر والكلاب
هايبوميكروبيومعصيات سالبة الجرام ينمو من ساقمشابه ل كولوباكتر
ميثيلوسيستيسسالبة الجرام أو العصيات القصيرة أو العصويةالبكتيريا الهوائية المثبتة للنيتروجين
ريزوبيومعصيات مستطيلة سالبة الجرام ذات نهايات مستديرة تشكل عناقيدالبكتيريا المثبتة للنيتروجين التي تعيش في التربة وتشكل علاقة تكافلية مع جذور البقوليات (مثل البرسيم والبرسيم والفاصوليا)
ريكتسيابكتيريا سالبة الجرام شديدة التعدد (قد تكون مكورات أو قضبان أو خيوط)تلتزم البكتيريا داخل الخلايا. تنتقل عن طريق القراد. قد تسبب حمى روكي ماونتن المبقعة والتيفوس

تمرين ( PageIndex {1} )

ما هي السمة التي تشترك فيها كل بكتيريا Alphaproteobacteria؟

بيتابروتيوباكتيريا

على عكس بكتيريا Alphaproteobacteria ، التي تعيش على الحد الأدنى من العناصر الغذائية ، فإن فئة Betaproteobacteria عبارة عن مغذيات (أو copiotrophs) ، مما يعني أنها تتطلب كمية وفيرة من العناصر الغذائية العضوية. غالبًا ما تنمو البكتيريا بيتابروتيوبك بين المناطق الهوائية واللاهوائية (على سبيل المثال ، في أمعاء الثدييات). تتضمن بعض الأجناس أنواعًا من مسببات الأمراض البشرية ، قادرة على التسبب في مرض خطير ، وأحيانًا يهدد الحياة. الجنس النيسرية، على سبيل المثال ، يشمل البكتيريا N. gonorrhoeae ، العامل المسبب لمرض السيلان المنقولة جنسيا ، و N. السحائي، العامل المسبب لالتهاب السحايا الجرثومي.

النيسرية هي مكورات تعيش على الأسطح المخاطية لجسم الإنسان. إنها سريعة التحمل أو يصعب استزراعها وتتطلب مستويات عالية من الرطوبة والمكملات الغذائية وثاني أكسيد الكربون. أيضا، النيسرية هي ميكرواريوفيليك ، مما يعني أنها تتطلب مستويات منخفضة من الأكسجين. لتحقيق النمو الأمثل ولأغراض التعريف ، النيسرية النيابة. تزرع على أجار الشوكولاتة (أي أجار مكمل بخلايا الدم الحمراء المنحل جزئياً). نمط نموهم المميز في الثقافة هو المكورات الثنائية: أزواج من الخلايا تشبه حبوب البن (الشكل ( PageIndex {3} )).

العامل الممرض المسؤول عن السعال الديكي (السعال الديكي) هو أيضًا عضو في بكتيريا Betaproteobacteria. البكتيريا البورديتيلة السعال الديكي، من رتبة Burkholderiales ، ينتج العديد من السموم التي تشل حركة الأهداب في الجهاز التنفسي البشري وتضر مباشرة بخلايا الجهاز التنفسي ، مما يتسبب في سعال حاد.

يلخص الجدول ( PageIndex {2} ) خصائص الأجناس المهمة من بكتيريا Betaproteobacteria.الجدول ( PageIndex {2} ): فئة بكتيريا Betaproteobacteria
مثال جنسعلم الصرف المجهريمميزات خاصة
بورديتيلاكوكوباسيلوس صغير سالب الجرامالهوائية ، شديدة الحساسية ؛ B. السعال الديكي يسبب السعال الديكي (السعال الديكي)
بوركولديرياعصيات سالبة الجرامالهوائية ، المائية ، تسبب الأمراض في الخيول والبشر (خاصة مرضى التليف الكيسي) ؛ عوامل التهابات المستشفيات
ليبتوثريكسعصية سالبة الجرام ، مغمد ، خيطيمائي. أكسدة الحديد والمنغنيز ؛ يمكن أن تعيش في محطات معالجة مياه الصرف الصحي وأنابيب تسد
النيسريةأزواج تشكيل العصير سالبة الجرام ، على شكل حبة البنتتطلب الرطوبة وتركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكربون ؛ أوكسيديز إيجابي ، ينمو على أجار الشوكولاتة ؛ الأنواع المسببة للأمراض تسبب السيلان والتهاب السحايا
ثيوباسيلوسعصيات سالبة الجراممحبة للحرارة ، حمضية ، بكتيريا هوائية بدقة ؛ يؤكسد الحديد والكبريت

تمرين ( PageIndex {2} )

ما هي السمة التي تشترك فيها كل بكتيريا Betaproteobacteria؟

الجزء 2

عندما ذهبت مارشا أخيرًا إلى مكتب الطبيب ، استمع الطبيب إلى تنفسها من خلال سماعة الطبيب. سمع بعض التشققات (صوت طقطقة) في رئتيها ، لذلك أمر بإجراء تصوير شعاعي للصدر وطلب من الممرضة جمع عينة من البلغم للتقييم الميكروبيولوجي وعلم الخلايا. وجد التقييم الإشعاعي وجود تجاويف وعتامة ونمط معين لتوزيع مادة غير طبيعية (الشكل ( فهرس الصفحة {4} )).

تمرين ( PageIndex {3} )

ما هي بعض الأمراض المحتملة التي يمكن أن تكون مسؤولة عن نتائج التصوير الشعاعي لمارشا؟

جراثيم غاما

أكثر فئات البكتيريا سالبة الجرام تنوعًا هي بكتيريا Gammaproteobacteria ، وهي تشتمل على عدد من مسببات الأمراض البشرية. على سبيل المثال ، عائلة كبيرة ومتنوعة ، الزائفة، يشمل الجنس الزائفة. ضمن هذا الجنس هو النوع P. الزنجارية، أحد مسببات الأمراض المسؤولة عن التهابات متنوعة في مناطق مختلفة من الجسم. P. الزنجارية هي بكتيريا هوائية ، غير مخمرة ، شديدة الحركة. غالبًا ما يصيب الجروح والحروق ، ويمكن أن يكون سببًا لالتهابات المسالك البولية المزمنة ، ويمكن أن يكون سببًا مهمًا لالتهابات الجهاز التنفسي لدى مرضى التليف الكيسي أو المرضى الذين يستخدمون أجهزة التنفس الصناعي. التهابات P. الزنجارية غالبًا ما يصعب علاجها لأن البكتيريا مقاومة للعديد من المضادات الحيوية ولديها قدرة ملحوظة على تكوين الأغشية الحيوية. الممثلين الآخرين ل الزائفة تشمل البكتيريا الفلورية (المتوهجة) المتألقة P. وبكتيريا التربة P. putida، والمعروف بقدرته على تحلل المواد الغريبة الحيوية (مواد لا تنتج بشكل طبيعي أو توجد في الكائنات الحية).

ال باستوريلاسيا يشمل أيضًا العديد من الأجناس والأنواع ذات الصلة سريريًا. تضم هذه العائلة العديد من البكتيريا التي تعد من مسببات الأمراض البشرية و / أو الحيوانية. على سبيل المثال، باستوريلا هيموليتيكا يسبب التهاب رئوي حاد في الأغنام والماعز. مولتوسيدا هو نوع يمكن أن ينتقل من الحيوانات إلى البشر عن طريق اللدغات ، مما يسبب التهابات في الجلد والأنسجة العميقة. الجنس المستدمية يحتوي على اثنين من مسببات الأمراض البشرية ، المستدمية النزلية و H. دوكري. على الرغم من اسمها ، المستدمية النزلية لا يسبب الانفلونزا (وهو مرض فيروسي). المستدمية النزلية يمكن أن يسبب التهابات الجهاز التنفسي العلوي والسفلي ، بما في ذلك التهاب الجيوب الأنفية والتهاب الشعب الهوائية والتهابات الأذن والالتهاب الرئوي. قبل تطوير التطعيم الفعال ، سلالات من المستدمية النزلية كانت السبب الرئيسي للأمراض الأكثر انتشارًا ، مثل التهاب السحايا عند الأطفال. دوكري يسبب العدوى المنقولة بالاتصال الجنسي المعروفة باسم القرحة.

يشمل الترتيب Vibrionales العامل الممرض البشري ضمة الكوليرا. تزدهر هذه البكتيريا المائية على شكل فاصلة في البيئات شديدة القلوية مثل البحيرات الضحلة والموانئ البحرية. مادة سامة تنتجها ضمة الكوليرا يسبب فرط إفراز الشوارد والمياه في الأمعاء الغليظة ، مما يؤدي إلى الإسهال المائي الغزير والجفاف. V. parhaemolyticus هو أيضا سبب لأمراض الجهاز الهضمي في البشر ، في حين V. فولنيفيكوس يسبب التهاب النسيج الخلوي الخطير والذي قد يهدد الحياة (عدوى الجلد والأنسجة العميقة) والتهابات الدم. ممثل آخر لـ Vibrionales ، Aliivibrio fischeri، تشارك في علاقة تكافلية مع الحبار. يوفر الحبار المغذيات لنمو البكتيريا وتنتج البكتيريا تلألؤًا بيولوجيًا يحمي الحبار من الحيوانات المفترسة (الشكل ( PageIndex {5} )).

الجنس الليجيونيلا ينتمي أيضًا إلى بكتيريا Gammaproteobacteria. المستروحة ، العامل الممرض المسؤول عن مرض Legionnaires هو بكتيريا مائية تميل إلى العيش في أحواض المياه الدافئة ، مثل تلك الموجودة في خزانات وحدات تكييف الهواء في المباني الكبيرة (الشكل ( PageIndex {6} )). نظرًا لأن البكتيريا يمكن أن تنتشر في الهباء الجوي ، فإن تفشي مرض Legionnaires غالبًا ما يؤثر على سكان المبنى الذي تلوثت المياه فيه. الليجيونيلا. في الواقع ، تستمد هذه البكتيريا اسمها من أول انتشار معروف لمرض Legionnaires ، والذي حدث في فندق يستضيف مؤتمر جمعية المحاربين القدامى الأمريكيين في فيلادلفيا في عام 1976.

البكتيريا المعوية هي عائلة كبيرة من البكتيريا المعوية (المعوية) تنتمي إلى بكتيريا Gammaproteobacteria. هم اللاهوائيات الاختيارية وقادرون على تخمير الكربوهيدرات. ضمن هذه العائلة ، يتعرف علماء الأحياء الدقيقة على فئتين متميزتين. الفئة الأولى تسمى القولونيات ، بعد أنواع البكتيريا النموذجية ، الإشريكية القولونية. القولونيات قادرة على تخمير اللاكتوز تمامًا (أي مع إنتاج الحمض والغاز). الفئة الثانية ، noncoliforms ، إما لا تستطيع تخمير اللاكتوز أو يمكنها فقط تخميره بشكل غير كامل (ينتج إما حمض أو غاز ، ولكن ليس كلاهما). تشمل الأشكال غير القولونية بعض مسببات الأمراض البشرية البارزة ، مثل السالمونيلا النيابة.، الشيغيلة النيابة., و يرسينيا بيستيس.

بكتريا قولونية ربما كانت البكتيريا الأكثر دراسة منذ أن وصفها تيودور إشريش (1857-1911) لأول مرة في عام 1886. العديد من سلالات بكتريا قولونية هي في علاقات متبادلة مع البشر. ومع ذلك ، فإن بعض السلالات تنتج سمًا مميتًا يُسمى ذيفان الشيغا ، والذي يثقب الأغشية الخلوية في الأمعاء الغليظة ، مما يتسبب في حدوث إسهال دموي والتهاب الصفاق (التهاب البطانات الداخلية لتجويف البطن). آخر بكتريا قولونية قد تسبب السلالات إسهال المسافر ، وهو مرض أقل حدة ولكنه واسع الانتشار.

الجنس السالمونيلا، والتي تنتمي إلى مجموعة noncoliform من المعوية، من المثير للاهتمام أنه لا يوجد حتى الآن إجماع حول عدد الأنواع التي يتضمنها. أعاد العلماء تصنيف العديد من المجموعات التي اعتقدوا أنها من الأنواع على أنها أنماط مصلية (تسمى أيضًا السيروفار) ، وهي سلالات أو أشكال مختلفة من نفس النوع من البكتيريا. يعتمد تصنيفها على أنماط التفاعل بواسطة مضادات حيوانية ضد الجزيئات الموجودة على سطح الخلايا البكتيرية. وهناك عدد من الأنماط المصلية السالمونيلا يمكن أن يسبب داء السلمونيلات ، الذي يتميز بالتهاب الأمعاء الدقيقة والغليظة ، مصحوبًا بالحمى والقيء والإسهال. الانواع S. المعوية (مصلي التيفي) يسبب حمى التيفود مع أعراض تشمل الحمى وآلام البطن والطفح الجلدي (الشكل ( PageIndex {7} )).

يلخص الجدول ( PageIndex {3} ) خصائص الأجناس المهمة من بكتيريا Gammaproteobacteria.الجدول ( PageIndex {3} ): فئة بكتيريا Gammaproteobacteria
مثال جنسعلم الصرف المجهريمميزات خاصة
Beggiatoaالبكتيريا سالبة الجرام على شكل قرص أو أسطوانيمائي ، يعيش في ماء يحتوي على نسبة عالية من ثاني كبريتيد الهيدروجين ؛ يمكن أن يسبب مشاكل لمعالجة مياه الصرف الصحي
المعويةعصيات سالبة الجراماهوائي مخير؛ تسبب التهابات المسالك البولية والجهاز التنفسي في المرضى في المستشفيات ؛ متورط في التسبب في السمنة
اروينياعصيات سالبة الجراممسببات الأمراض النباتية التي تسبب بقع الأوراق وتغير لونها ؛ قد يهضم السليلوز تفضل درجات حرارة منخفضة نسبيًا (25-30 درجة مئوية)
الإشريكيةعصيات سالبة الجراماهوائي مخير؛ تسكن الجهاز الهضمي للحيوانات ذوات الدم الحار ؛ بعض السلالات متبادلة ، تنتج فيتامين ك ؛ البعض الآخر ، مثل النمط المصلي بكتريا قولونية O157: H7 ، من مسببات الأمراض. بكتريا قولونية لقد كان كائنًا نموذجيًا للعديد من الدراسات في علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية
الهيموفيلوسعصيات سالبة الجراممتعدد الأشكال ، قد يظهر على شكل كوكوباسيلوس ، أو إيروب ، أو لاهوائي اختياري ؛ تنمو على أجار الدم الأنواع المسببة للأمراض يمكن أن تسبب التهابات الجهاز التنفسي ، والقريح ، وأمراض أخرى
كليبسيلاعصية سالبة الجرام يبدو أكثر استدارة وسمكًا من الأعضاء الآخرين في المعويةاللاهوائية الاختيارية ، مغلفة ، غير متحركة ؛ الأنواع المسببة للأمراض قد تسبب الالتهاب الرئوي ، خاصة عند الأشخاص المصابين بإدمان الكحول
الليجيونيلاعصيات سالبة الجرامسريع التحمل ، ينمو على مستخلص الخميرة المخزنة بالفحم ؛ المستروحة يسبب مرض Legionnaires
ميثيلوموناسعصيات سالبة الجراماستخدم الميثان كمصدر للكربون والطاقة
بروتيوسعصية سالبة الجرام (متعددة الأشكال)السكان العاديون في الجهاز الهضمي البشري ؛ متحرك. إنتاج اليورياز مسببات الأمراض الانتهازية؛ قد يسبب التهابات المسالك البولية وتعفن الدم
الزائفةعصيات سالبة الجرامالهوائية. متعدد الجوانب والاستعمالات؛ إنتاج أصباغ صفراء وزرقاء ، مما يجعلها تظهر خضراء في الثقافة ؛ قد تسبب مسببات الأمراض الانتهازية والمقاومة للمضادات الحيوية التهابات الجروح والالتهابات المكتسبة من المستشفيات والتهابات ثانوية في المرضى الذين يعانون من التليف الكيسي.
سيراتياعصيات سالبة الجراممتنقل. قد تنتج صبغة حمراء ؛ مسببات الأمراض الانتهازية المسؤولة عن عدد كبير من العدوى المكتسبة من المستشفيات
شيغيلاعصيات سالبة الجرامغير متحرك ممرض بشكل خطير إنتاج ذيفان الشيغا ، الذي يمكن أن يدمر خلايا الجهاز الهضمي ؛ يمكن أن يسبب الزحار
فيبريوبكتيريا سالبة الجرام أو فاصلة أو قضيب منحني الشكلمياه البحر المسكونة جلد ، متحرك قد ينتج مادة سامة تسبب فرط إفراز الماء والكهارل في الجهاز الهضمي ؛ بعض الأنواع قد تسبب التهابات جروح خطيرة
يرسينياعصيات سالبة الجرامتحملها القوارض. مسببات الأمراض البشرية. Y. pestis يسبب الطاعون الدبلي والطاعون الرئوي. Y. enterocolitica يمكن أن يكون أحد مسببات الأمراض التي تسبب الإسهال لدى البشر

تمرين ( PageIndex {4} )

ضع قائمة بعائلتين من بكتيريا Gammaproteobacteria.

دلتابروتيوبكتيريا

تعد Deltaproteobacteria فئة صغيرة من البكتيريا المتقلبة سالبة الجرام والتي تتضمن بكتيريا تقليل الكبريتات (SRBs) ، وقد سميت بهذا الاسم لأنها تستخدم الكبريتات كمستقبل نهائي للإلكترون في سلسلة نقل الإلكترون. قليل من SRBs هي مسببة للأمراض. ومع ذلك ، فإن SRB ديسولفوفيبريو أورالي يرتبط بأمراض اللثة (مرض اللثة).

تشمل بكتيريا Deltaproteobacteria أيضًا الجنس بيديلوفيبريو، من أنواعها طفيليات البكتيريا سالبة الجرام الأخرى. بيديلوفيبريو تغزو خلايا البكتيريا المضيفة ، وتضع نفسها في محيط البلازما ، والمسافة بين غشاء البلازما وجدار الخلية ، وتتغذى على بروتينات المضيف والسكريات المتعددة. العدوى قاتلة للخلايا المضيفة.

نوع آخر من Deltaproteobacteria ، myxobacteria ، يعيش في التربة ، ويكتشف المركبات غير العضوية. يتفاعلون مع البكتيريا الأخرى داخل وخارج مجموعتهم.يمكن أن تشكل "أجسامًا مثمرة" متعددة الخلايا وعيانية (الشكل ( PageIndex {8} )) ، وهي هياكل لا تزال قيد الدراسة من قبل علماء الأحياء وعلماء البيئة البكتيرية.2يمكن أن تشكل هذه البكتيريا أيضًا أبواغًا مخاطية غير نشطة أيضيًا.

يلخص الجدول ( PageIndex {4} ) خصائص العديد من الأجناس المهمة من Deltaproteobacteria.الجدول ( PageIndex {4} ): فئة Deltaproteobacteria
جنسعلم الصرف المجهريمميزات خاصة
بيديلوفيبريوقضيب سالب الجرام ، على شكل فاصلةنموذج تعهد؛ متحرك. طفيلي (يصيب بكتيريا أخرى)
ديسولفوفيبريو(سابقا ديسوفوروموناس)قضيب سالب الجرام ، على شكل فاصلةتقليل الكبريت يمكن استخدامها لإزالة النفايات السامة والمشعة
المتفطرةالبكتيريا الكروية سالبة الجرام تشكل مستعمرات (أسراب)العيش في التربة يمكن أن تتحرك عن طريق الانزلاق. تستخدم ككائن نموذجي لدراسات الاتصال بين الخلايا (الإشارات)

تمرين ( PageIndex {5} )

ما نوع بكتيريا Deltaproteobacteria التي تشكل أجسامًا مثمرة؟

بكتيريا إبسيلون

أصغر فئة من البكتيريا المتقلبة هي Epsilonproteobacteria ، وهي بكتيريا ميكروية سالبة الجرام (بمعنى أنها لا تتطلب سوى كميات صغيرة من الأكسجين في بيئتها). هناك نوعان من الأجناس ذات الصلة سريريًا من بكتيريا إبسيلون كامبيلوباكتر و هيليكوباكتر، وكلاهما يشمل مسببات الأمراض البشرية. كامبيلوباكتر يمكن أن يسبب التسمم الغذائي الذي يظهر في شكل التهاب معوي حاد (التهاب في الأمعاء الدقيقة). هذه الحالة سببها الأنواع C. jejuni، شائع إلى حد ما في البلدان المتقدمة ، عادة بسبب تناول منتجات دواجن ملوثة. غالبًا ما يؤوي الدجاج C. jejuni في القناة الهضمية والبراز ، ويمكن أن تتلوث لحومهم أثناء المعالجة.

داخل الجنس هيليكوباكتر ، البكتيريا الحلزونية الجلد جرثومة المعدة تم التعرف عليه كعضو مفيد في ميكروبات المعدة ، ولكنه أيضًا السبب الأكثر شيوعًا لالتهاب المعدة المزمن وقرحة المعدة والاثني عشر (الشكل ( PageIndex {9} )). وقد أظهرت الدراسات ذلك أيضًا جرثومة المعدة يرتبط بسرطان المعدة.3 جرثومة المعدة غير معتاد إلى حد ما في قدرته على البقاء في بيئة شديدة الحموضة في المعدة. ينتج اليورياز والإنزيمات الأخرى التي تعدل بيئته لجعله أقل حمضية.

يلخص الجدول ( PageIndex {5} ) خصائص الأنواع الأكثر صلة إكلينيكيًا من بكتيريا إبسيلون بروتيوبتريا.الجدول ( PageIndex {5} ): فئة Epsilonproteobacteria
مثال جنسعلم الصرف المجهريمميزات خاصة
كامبيلوباكترقضيب حلزوني الشكل سالب الجرامالهوائية (microaerophilic) ؛ غالبًا ما يصيب الدجاج ؛ قد تصيب الإنسان عن طريق اللحوم غير المطبوخة جيداً ، مسببة التهاباً حاداً في الأمعاء
هيليكوباكترقضيب حلزوني الشكل سالب الجرامالبكتيريا الهوائية (microaerophilic) ؛ يمكن أن يضر البطانة الداخلية للمعدة ، مما يسبب التهاب المعدة المزمن ، والقرحة الهضمية ، وسرطان المعدة

تمرين ( PageIndex {1} )

قم بتسمية نوعين من البكتريا Epsilonproteobacteria التي تسبب اضطرابات الجهاز الهضمي.

ملخص

  • بروتيوباكتيريا هي مجموعة من البكتيريا سالبة الجرام اكتشفها كارل ووز في الثمانينيات بناءً على تماثل تسلسل النيوكليوتيدات.
  • يتم تصنيف البكتيريا المتقلبة أيضًا إلى فئات ألفا وبيتا وغاما ودلتا و epsilonproteobacteria ، ولكل فئة ترتيب منفصل وعائلات وأجناس وأنواع.
  • ألفا بروتيوبكتيريا نكون قلة التغذية. أنواع الكلاميديا ​​والريكتسيا هي الأصناف تلزم مسببات الأمراض داخل الخلايا ، تتغذى على خلايا الكائنات الحية المضيفة ؛ فهي غير نشطة التمثيل الغذائي خارج الخلية المضيفة. يمكن لبعض بروتينات ألفا تحويل النيتروجين الجوي إلى نيتريت ، مما يجعل النيتروجين قابلاً للاستخدام من قبل أشكال الحياة الأخرى.
  • بيتابروتيوباكتيريا نكون المغذيات. وتشمل مسببات الأمراض البشرية من الجنس النيسرية والأنواع البورديتيلة السعال الديكي.
  • جراثيم غاما هي أكبر مجموعة من البكتيريا المتقلبة وأكثرها تنوعًا. العديد من مسببات الأمراض البشرية هي الهوائية أو اللاهوائية الاختيارية. بعض أنواع البكتيريا البروتينية معوي البكتيريا التي قد تكون القولونية أو غير القولونية. الإشريكية القولونية، وهو عضو في بكتيريا Gammaproteobacteria ، ربما يكون أكثر أنواع البكتيريا التي خضعت للدراسة.
  • دلتابروتيوبكتيريا تشكل مجموعة صغيرة قادرة على تقليل الكبريت أو عنصر الكبريت. بعضها زبال وتشكل الأبواغ المخاطية ، مع أجسام ثمرية متعددة الخلايا.
  • بكتيريا إبسيلون تشكل أصغر مجموعة من البكتيريا المتقلبة. الجنس كامبيلوباكتر و هيليكوباكتر هي من مسببات الأمراض البشرية.
  1. 1 سي آر ووز. "التطور البكتيري". مراجعة ميكروبيولوجية 51 لا. 2 (1987): 221 - 271.
  2. 2 هـ.ريتشنباخ. "Myxobacteria ، منتجو المواد الحيوية النشطة بيولوجيًا." مجلة علم الأحياء الدقيقة الصناعية والتكنولوجيا الحيوية 27 لا. 3 (2001): 149-156.
  3. 3 S. Suerbaum، P. Michetti. "هيليكوباكتر بيلوري عدوى." نيو انغلاند جورنال اوف ميديسين 347 لا. 15 (2002): 1175-1186.

مساهم

  • نينا باركر (جامعة شيناندواه) ومارك شنيغورت (جامعة ولاية ويتشيتا) وآنه-هيو ثي تو (جامعة ولاية جورجيا الجنوبية الغربية) وفيليب ليستر (كلية وسط نيو مكسيكو المجتمعية) وبريان إم فورستر (جامعة سانت جوزيف) مع العديد المؤلفين المساهمين. المحتوى الأصلي عبر Openstax (CC BY 4.0 ؛ الوصول مجانًا على https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


تحليل Illumina القائم على التسلسل لديناميات المجتمع البكتيري الذي يعيش بحرية أثناء ازدهار Akashiwo المتفائل في بحر شيامن ، الصين

على الرغم من أن العوالق النباتية هي المصدر الرئيسي للمادة العضوية البحرية الذائبة (DOM) ، إلا أن ازدهارها يمثل مشكلة عالمية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على النظم البيئية البحرية ، وخاصة البكتيريا الحرة الحية ، والتي تعد المواد الأساسية المتحللة لـ DOM. في هذه الدراسة ، قمنا بتحليل المجتمعات البكتيرية التي تعيش بحرية من بحر شيامن خلال ازدهار أكاشيو المتفائل باستخدام تسلسل Illumina MiSeq من أمبليكون جين الرنا الريباسي 16S. ربما تم تحفيز الإزهار بسبب انخفاض الملوحة وانتهى بعد الحد من التلوث الناتج عن التخثث. تم الحصول على ما مجموعه 658446 قراءة تسلسلية و 11807 OTUs في كل من عينات الإزهار والتحكم مع وجود بكتيريا ألفا البروتينية وبكتيريا جاما البروتينية هي الفئات السائدة التي تم اكتشافها. أدى الإزهار إلى تقليل التنوع البكتيري ، وزيادة تكافؤ الأنواع ، وتغيير بنية المجتمع البكتيري بشكل كبير. كانت المجتمعات البكتيرية داخل الإزهار أكثر تجانسًا من تلك الموجودة في منطقة التحكم. تضمنت البكتيريا التي حفزها هذا الإزهار كل من 86 ريالًا سعوديًا و 116 ريالًا سعوديًا ومجموعة AEGEAN-169 البحرية ، ولكن تم قمع القليل منها. بالإضافة إلى ذلك ، تم اكتشاف العديد من البكتيريا المعروفة بأنها مرتبطة بالعوالق النباتية فقط في عينات الإزهار. كشفت هذه الدراسة عن التأثير الكبير لتكاثر A. sanguinea على المجتمعات البكتيرية التي تعيش بحرية ، وقدمت رؤى جديدة للعلاقة بين البكتيريا و A. sanguinea في النظم البيئية البحرية.

الأرقام

الشكل 1. موقع مواقع أخذ العينات.

الشكل 1. موقع مواقع أخذ العينات.

تم إنشاء هذه الخريطة بناءً على PhotoShop (الإصدار CS5) ...

الشكل 2. منحنيات التخلخل في الإزهار و ...

الشكل 2. منحنيات التخلخل في عينات الازدهار والتحكم.

الشكل 3. تكوين العشرة الأوائل ...

الشكل 3. تكوين أعلى 10 أصناف في الفئة (أ) ، (ب) ، (ج) ...

الشكل 4. منحنيات التخلخل (أ) والأنواع ...

الشكل 4. منحنيات التخلخل (أ) وتقديرات ثراء الأنواع (ب) لعينات التفتح والتحكم ...

الشكل 5. هيكل المجتمع البكتيري في ...

الشكل 5. بنية المجتمع البكتيرية على مستوى الجنس.

فقط أفضل 10 أجناس ...

الشكل 6. تحليل المراسلات الموقوفة (DCA) لـ ...

الشكل 6. تحليل المراسلات الموقوفة (DCA) للمجتمع البكتيري.

الشكل 7. تكافؤ سيمبسون البكتيري الذي يعيش بحرية لـ ...

الشكل 7. تكافؤ سيمبسون البكتيري الذي يعيش بحرية في مجموعات الإزهار والتحكم.

الشكل 8. نسب التسلسل غير المصنفة للازدهار ...

الشكل 8. نسب التسلسل غير المصنفة لمناطق التفتح والتحكم على مستوى الجنس.

الشكل 9. خريطة الحرارة توضح تغيير الطية ...

الشكل 9. خريطة الحرارة توضح التغير الطي في الأجناس المحددة في المقارنات بين الإزهار ...

الشكل 10. الوفرة النسبية للأجناس البكتيرية ...

الشكل 10. الوفرة النسبية للأجناس البكتيرية في مناطق الإزهار والمراقبة.


محتويات

جميع "البكتيريا" سالبة الجرام (على الرغم من أن بعضها قد يصبغ موجب الجرام أو متغير الجرام في الممارسة) ، مع غشاء خارجي يتكون أساسًا من عديدات السكاريد الدهنية. يتحرك الكثير لاستخدام الأسواط ، لكن بعضها غير متحرك أو يعتمد على الانزلاق البكتيري. وتشمل الأخيرة البكتيريا المخاطية ، وهي رتبة من البكتيريا يمكن أن تتجمع لتكوين أجسام ثمرية متعددة الخلايا. أيضا ، توجد مجموعة متنوعة من أنواع التمثيل الغذائي. معظم الأعضاء هم من الناحية الاختيارية أو الإلزامية اللاهوائية ، والتغذية الكيميائية ، وغيرية التغذية ، ولكن تحدث استثناءات عديدة. تقوم مجموعة متنوعة من الأجناس ، والتي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، بتحويل الطاقة من الضوء من خلال عملية التمثيل الضوئي.

ترتبط "بروتيوباكتريا" بخلل في الجراثيم في الجهاز التناسلي السفلي للمرأة. ترتبط هذه الأنواع بالالتهاب. & # 9114 & # 93


Riboregulation في & # x3b1- بروتيوباكتيريا المرتبطة بالنبات

α-rhizobia التكافلية Sinorhizobium meliloti, Bradyrhizobium japonicum, ريزوبيوم إتلي ومسببات الأمراض النباتية ذات الصلة أغروباكتريوم توميفاسيانز هي كائنات نموذجية مهمة لدراسة التفاعلات بين النبات والميكروبات. تتميز بكتيريا التربة متعددة الاستخدامات الأيضية بأنماط الحياة المعقدة والجينومات الكبيرة. نلخص هنا المعرفة الحديثة عن RNAs الصغيرة غير المشفرة (sRNAs) بما في ذلك الحفظ والوظيفة والتفاعل بين الحمض النووي الريبي مع مرافقة RNA Hfq. في كل من هذه الكائنات ، جرد مئات من رابطة الدول المستقلة- و عبرتم الكشف عن sRNAs المشفرة ذات الإمكانات التنظيمية من خلال مناهج عالية الإنتاجية واستخدمت لبناء 39 نموذجًا لعائلة sRNA. تحليلات على مستوى الجينوم لـ hfq كشفت المسوخات والتساقط المناعي المشترك مع Hfq الموسوم عن تأثير كبير لمرافق RNA على فسيولوجيا البكتيريا البروتينية المرتبطة بالنبات بما في ذلك التعايش والفوعة. أعضاء عائلة SmelC411 الذين يتمتعون بدرجة عالية من الحفظ هم AbcR sRNAs ، والتي تنظم في الغالب أنظمة النقل ABC. AbcR1 من A. الورم يتحكم في امتصاص جزيء الإشارات المولدة من النبات GABA وهو منظم مركزي لأنظمة امتصاص المغذيات. لها وظائف مماثلة في S. meliloti ومسببات الأمراض البشرية البروسيلا أبورتس. نظرًا لأن تحلل الحمض النووي الريبي هو عملية مهمة في تنظيم الجينات المعتمد على الحمض النووي الريبي ، فإن نظرة عامة قصيرة على الريبونوكليازات في البكتيريا البروتينية ألفا المرتبطة بالنبات تختتم هذه المراجعة.

الإفصاح عن تضارب المصالح المحتمل

ولم يتم الكشف عن أي تضارب محتمل في المصالح.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من خلال المنح التالية المقدمة من Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) في إطار برنامج الأولوية SPP 1258 "RNAs الحسية والتنظيمية في بدائيات النوى": BE 2121 / 3-1، BE 2121 / 4-1، BE 2121 / 5-2 ، FN 240 / 8-1 ، GI 178 / 4-1 ، GI 178 / 4–2 ، Ev42 / 4-1 ، و Ev42 / 4–2.


4.1 موائل بدائيات النوى والعلاقات والميكروبيوم

مارشا ، طالبة جامعية تبلغ من العمر 20 عامًا ، عادت مؤخرًا إلى الولايات المتحدة من رحلة إلى نيجيريا ، حيث تدربت كمساعد طبي لمنظمة تعمل على تحسين الوصول إلى الخدمات المختبرية لاختبار السل. عندما عادت ، بدأت مارشا تشعر بالإرهاق ، وهو ما كانت تنسبه في البداية إلى اضطراب الرحلات الجوية الطويلة. ومع ذلك ، استمر التعب ، وسرعان ما بدأت مارشا تعاني من أعراض مزعجة أخرى ، مثل السعال العرضي والتعرق الليلي وفقدان الشهية وحمى منخفضة الدرجة 37.4 درجة مئوية (99.3 درجة فهرنهايت).

توقعت مارشا أن تهدأ أعراضها في غضون أيام قليلة ، لكن بدلاً من ذلك ، أصبحت أكثر حدة تدريجياً. بعد حوالي أسبوعين من عودتها إلى المنزل ، سعلت بعض البلغم ولاحظت أنه يحتوي على دم وتكتلات صغيرة بيضاء تشبه الجبن القريش. ارتفعت درجة الحرارة لديها إلى 38.2 درجة مئوية (100.8 درجة فهرنهايت) ، وبدأت تشعر بألم حاد في صدرها عند التنفس بعمق. قلقة من أنها بدت وكأنها تزداد سوءًا ، حددت مارشا موعدًا مع طبيبها.

  • هل يمكن أن تكون أعراض مارشا مرتبطة بسفرها إلى الخارج ، حتى بعد عدة أسابيع من عودتها إلى الوطن؟

انتقل إلى مربع التركيز السريري التالي.

يتم تصنيف جميع الكائنات الحية إلى ثلاثة مجالات للحياة: العتائق والبكتيريا وحقيقيات النوى. في هذا الفصل ، سوف نركز على المجالات القديمة والبكتيريا. العتائق والبكتيريا كائنات بدائية النواة أحادية الخلية. على عكس حقيقيات النوى ، ليس لديهم نوى أو أي عضيات أخرى مرتبطة بالغشاء.

موائل بدائيات النوى ووظائفها

بدائيات النوى موجودة في كل مكان. يمكن العثور عليها في كل مكان على كوكبنا ، حتى في الينابيع الحارة ، في الدرع الجليدي في القطب الجنوبي ، وتحت ضغط شديد على بعد ميلين تحت الماء. بكتيريا واحدة Paracoccus denitrificans، حتى أنه ثبت قدرته على البقاء عندما أزاله العلماء من بيئته الأصلية (التربة) واستخدموا جهاز طرد مركزي لإخضاعها لقوى جاذبية قوية مثل تلك الموجودة على سطح كوكب المشتري.

بدائيات النوى أيضا وفيرة في وداخل جسم الإنسان. وفقًا لتقرير صادر عن المعاهد الوطنية للصحة ، فإن عدد بدائيات النوى ، وخاصة البكتيريا ، يفوق عدد الخلايا البشرية بنسبة 10: 1. 1 تشير الدراسات الحديثة إلى أن النسبة يمكن أن تكون أقرب إلى 1: 1 ، ولكن حتى هذه النسبة تعني أن هناك عددًا كبيرًا من البكتيريا داخل جسم الإنسان. 2 تتكاثر البكتيريا في فم الإنسان وتجويف الأنف والحلق والأذنين والجهاز الهضمي والمهبل. يمكن العثور على مستعمرات كبيرة من البكتيريا على جلد الإنسان السليم ، خاصة في المناطق الرطبة (الإبط ، السرة ، والمناطق خلف الأذنين). ومع ذلك ، فحتى المناطق الأكثر جفافاً من الجلد ليست خالية من البكتيريا.

إن وجود بدائيات النوى مهم جدًا لاستقرار وازدهار النظم البيئية. على سبيل المثال ، فهي جزء ضروري من تكوين التربة وعمليات التثبيت من خلال تحلل المواد العضوية وتطوير الأغشية الحيوية. يحتوي غرام واحد من التربة على ما يصل إلى 10 مليارات من الكائنات الحية الدقيقة (معظمها بدائية النواة) تنتمي إلى حوالي 1000 نوع. تستخدم العديد من أنواع البكتيريا المواد المنبعثة من جذور النباتات ، مثل الأحماض والكربوهيدرات ، كمواد مغذية. تقوم البكتيريا باستقلاب هذه المواد النباتية وإطلاق منتجات الأيض البكتيري مرة أخرى إلى التربة ، مكونة الدبال وبالتالي زيادة خصوبة التربة. في البحيرات المالحة مثل البحر الميت (الشكل 4.2) ، تتحلل الهالوباكتريا المحبة للملح الجمبري البحري الميت وتغذي الجمبري المالح والذباب بمنتجات الأيض البكتيري.

بالإضافة إلى العيش في الأرض والمياه ، فإن الكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة موجودة بكثرة في الهواء ، حتى في الغلاف الجوي. قد يكون هناك ما يصل إلى 2000 نوع مختلف من البكتيريا في الهواء ، على غرار تنوعها في التربة.

يمكن العثور على بدائيات النوى في كل مكان على الأرض لأنها مرنة للغاية وقابلة للتكيف. غالبًا ما تكون مرنة من الناحية الأيضية ، مما يعني أنها قد تنتقل بسهولة من مصدر طاقة إلى آخر ، اعتمادًا على توفر المصادر ، أو من مسار أيضي إلى آخر. على سبيل المثال ، يمكن لبعض البكتيريا الزرقاء بدائية النواة التحول من نوع تقليدي من التمثيل الغذائي للدهون ، والذي يتضمن إنتاج الألدهيدات الدهنية ، إلى نوع مختلف من التمثيل الغذائي للدهون الذي يولد الوقود الحيوي ، مثل الأحماض الدهنية وإسترات الشمع. تخزن بكتيريا المياه الجوفية الكربوهيدرات المعقدة عالية الطاقة عند نموها في المياه الجوفية النقية ، لكنها تقوم باستقلاب هذه الجزيئات عندما يتم إثراء المياه الجوفية بالفوسفات. تحصل بعض البكتيريا على طاقتها عن طريق اختزال الكبريتات إلى كبريتيدات ، ولكن يمكنها التحول إلى مسار أيضي مختلف عند الضرورة ، وإنتاج الأحماض وأيونات الهيدروجين الحرة.

تؤدي بدائيات النوى وظائف حيوية للحياة على الأرض عن طريق التقاط (أو "تثبيت") عناصر مثل الكربون والنيتروجين وإعادة تدويرها. الكائنات الحية مثل الحيوانات تتطلب الكربون العضوي لتنمو ، ولكن على عكس بدائيات النوى ، فإنها غير قادرة على استخدام مصادر الكربون غير العضوية مثل ثاني أكسيد الكربون. وبالتالي ، تعتمد الحيوانات على بدائيات النوى لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات كربون عضوية يمكن استخدامها. تسمى عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات كربون عضوية بتثبيت الكربون.

تعتمد النباتات والحيوانات أيضًا بشكل كبير على بدائيات النوى لتثبيت النيتروجين ، وتحويل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى أمونيا ، وهو مركب يمكن أن تستخدمه بعض النباتات لتكوين العديد من الجزيئات الحيوية المختلفة اللازمة لبقائها على قيد الحياة. البكتيريا في الجنس ريزوبيوم ، على سبيل المثال ، هي بكتيريا مثبتة للنيتروجين تعيش في جذور النباتات البقولية مثل البرسيم والبرسيم والبازلاء (الشكل 4.3). الأمونيا التي تنتجها ريزوبيوم يساعد هذه النباتات على البقاء على قيد الحياة من خلال تمكينهم من صنع اللبنات الأساسية من الأحماض النووية. في المقابل ، قد تأكل هذه النباتات من قبل الحيوانات - مما يحافظ على نموها وبقائها على قيد الحياة - أو قد تموت ، وفي هذه الحالة ستثري منتجات تثبيت النيتروجين التربة وتستخدمها النباتات الأخرى.

وظيفة إيجابية أخرى من بدائيات النوى في تنظيف البيئة. في الآونة الأخيرة ، ركز بعض الباحثين على تنوع ووظائف بدائيات النوى في البيئات التي من صنع الإنسان. وجدوا أن بعض البكتيريا تلعب دورًا فريدًا في تحطيم المواد الكيميائية السامة التي تلوث المياه والتربة. 3

على الرغم من كل الأدوار الإيجابية والمفيدة التي تلعبها بدائيات النوى ، فإن بعضها من مسببات الأمراض البشرية التي قد تسبب المرض أو العدوى عند دخولها الجسم. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض البكتيريا أن تلوث الطعام ، مسببة التلف أو الأمراض التي تنقلها الأغذية ، مما يجعلها موضع قلق في إعداد الطعام وسلامته. يُعتقد أن أقل من 1٪ من بدائيات النوى (جميعها بكتيريا) من مسببات الأمراض البشرية ، ولكن هذه الأنواع مجتمعة مسؤولة عن عدد كبير من الأمراض التي تصيب البشر.

إلى جانب مسببات الأمراض ، التي لها تأثير مباشر على صحة الإنسان ، تؤثر بدائيات النوى أيضًا على البشر بعدة طرق غير مباشرة. على سبيل المثال ، يُعتقد الآن أن بدائيات النوى تلعب دورًا رئيسيًا في عمليات تغير المناخ. في السنوات الأخيرة ، مع ارتفاع درجات الحرارة في المناطق القطبية للأرض ، بدأت التربة التي كانت متجمدة على مدار العام (التربة الصقيعية) تذوب. يتم إطلاق الكربون المحتجز في التربة الصقيعية تدريجياً ويتم استقلابه بواسطة بدائيات النوى. ينتج عن ذلك كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون والميثان وغازات الدفيئة التي تتسرب إلى الغلاف الجوي وتساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري.

تأكد من فهمك

  • في أي أنواع البيئات يمكن العثور على بدائيات النوى؟
  • اذكر بعض الطرق التي تعتمد بها النباتات والحيوانات على بدائيات النوى.

العلاقات التكافلية

كما تعلمنا ، يمكن للكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة أن ترتبط بالنباتات والحيوانات. في كثير من الأحيان ، ينتج عن هذا الارتباط علاقات فريدة بين الكائنات الحية. على سبيل المثال ، تحصل البكتيريا التي تعيش على جذور أو أوراق النبات على العناصر الغذائية من النبات ، وفي المقابل تنتج مواد تحمي النبات من مسببات الأمراض. من ناحية أخرى ، تعتبر بعض البكتيريا من مسببات الأمراض النباتية التي تستخدم آليات للعدوى مماثلة لمسببات الأمراض البكتيرية للحيوانات والبشر.

تعيش بدائيات النوى في مجتمع ، أو مجموعة من مجموعات الكائنات الحية المتفاعلة. السكان هو مجموعة من الكائنات الحية الفردية التي تنتمي إلى نفس الأنواع البيولوجية ومحدودة في منطقة جغرافية معينة. يمكن أن يكون لدى السكان تفاعلات تعاونية ، تفيد السكان ، أو تفاعلات تنافسية ، حيث يتنافس أحد السكان مع الآخر على الموارد. تسمى دراسة هذه التفاعلات بين المجموعات الميكروبية وبيئتها علم البيئة الميكروبية.

يسمى أي تفاعل بين الأنواع المختلفة المرتبطة ببعضها البعض داخل المجتمع التعايش. تقع مثل هذه التفاعلات على طول سلسلة متصلة بين المعارضة والتعاون. قد تكون التفاعلات في علاقة تكافلية مفيدة أو ضارة ، أو ليس لها تأثير على أحد النوعين المعنيين أو كليهما. يلخص الجدول 4.1 الأنواع الرئيسية للتفاعلات التكافلية بين بدائيات النوى.

أنواع العلاقات التكافلية
نوع السكان أ السكان ب
التبادلية استفاد استفاد
Amensalism تضررت غير متأثر
معايشة استفاد غير متأثر
الحياد غير متأثر غير متأثر
التطفل استفاد تضررت

عندما يستفيد نوعان من بعضهما البعض ، فإن التكافل يسمى التبادلية (أو syntropy ، أو crossfeeding). على سبيل المثال ، البشر لديهم علاقة متبادلة مع البكتيريا Bacteroides thetaiotaomicronالذي يعيش في الأمعاء. Bacteroides thetaiotaomicron يهضم المواد النباتية المعقدة متعددة السكاريد التي لا تستطيع الإنزيمات الهضمية البشرية تحطيمها ، وتحويلها إلى سكريات أحادية يمكن أن تمتصها الخلايا البشرية. البشر أيضًا لديهم علاقة متبادلة مع سلالات معينة من الإشريكية القولونية ، وهي بكتيريا أخرى توجد في القناة الهضمية. بكتريا قولونية يعتمد على محتويات الأمعاء كمغذيات ، ويستمد الإنسان منها فيتامينات معينة بكتريا قولونية، وخاصة فيتامين ك الضروري لتكوين عوامل تخثر الدم. (هذا صحيح فقط لبعض سلالات بكتريا قولونية، لكن. السلالات الأخرى ممرضة وليس لها علاقة متبادلة مع البشر.)

يُطلق على نوع من التعايش الذي يؤذي فيه مجتمع ما مجتمعًا آخر ولكنه يظل غير متأثر بحد ذاته يسمى amensalism. في حالة البكتيريا ، تنتج بعض الأنواع المقاومة للجراثيم مواد مبيدة للجراثيم تقتل أنواعًا أخرى من البكتيريا. تتكون ميكروبيوتا الجلد من مجموعة متنوعة من الأنواع البكتيرية ، بما في ذلك المكورات العنقودية البشروية و حب الشباب بروبيونيباكتيريوم. على الرغم من أن كلا النوعين لهما القدرة على التسبب في أمراض معدية عند اختراق الحواجز الواقية ، إلا أنهما ينتجان مجموعة متنوعة من البكتيريا المضادة للبكتيريا والمركبات الشبيهة بالبكتريوسين. S. البشرة و P. حب الشباب لا تتأثر بالبكتريوسينات والمركبات الشبيهة بالبكتريوسين التي تنتجها ، لكن هذه المركبات يمكن أن تستهدف وتقتل مسببات الأمراض المحتملة الأخرى.

في نوع آخر من التعايش ، يسمى التعايش ، يستفيد كائن حي بينما لا يتأثر الآخر. يحدث هذا عندما تكون البكتيريا المكورات العنقودية البشروية يستخدم خلايا الجلد الميتة كمواد مغذية. تعيش المليارات من هذه البكتيريا على بشرتنا ، ولكن في معظم الحالات (خاصة عندما يكون جهاز المناعة لدينا سليمًا) ، لا نتفاعل معها بأي شكل من الأشكال. S. البشرة يقدم مثالاً ممتازًا عن كيفية عدم تمييز تصنيفات العلاقات التكافلية دائمًا. يمكن للمرء أيضًا أن يفكر في العلاقة التكافلية لـ S. البشرة مع البشر كمنفعة. يوفر البشر مصدرًا غذائيًا لخلايا الجلد الميتة للبكتيريا ، وبالتالي فإن إنتاج البكتريوسين يمكن أن يوفر دفاعًا ضد مسببات الأمراض المحتملة.

إذا لم يتأثر أي من الكائنات التكافلية بأي شكل من الأشكال ، فإننا نطلق على هذا النوع من التكافل الحيادية. مثال على الحياد هو التعايش بين البكتيريا النشطة الأيضية (النباتية) والأبواغ الداخلية (البكتيريا النائمة والسلبية الأيضية). على سبيل المثال ، البكتيريا عصيات الجمرة الخبيثة عادةً ما تشكل الأبواغ الداخلية في التربة عندما تكون الظروف غير مواتية. إذا تم تسخين التربة وإثرائها بالمغذيات ، فبعضها الجمرة الخبيثة تنبت الإندوسبورات وتبقى في التعايش مع الأنواع الأخرى من الأبواغ التي لم تنبت.

نوع من التعايش الذي يستفيد فيه كائن حي بينما يؤذي الآخر يسمى التطفل. يمكن وصف العلاقة بين البشر والعديد من بدائيات النوى المسببة للأمراض بأنها طفيلية لأن هذه الكائنات الحية تغزو الجسم وتنتج مواد سامة أو أمراضًا معدية تسبب الضرر. تنشأ أمراض مثل التيتانوس والدفتيريا والسعال الديكي والسل والجذام من التفاعلات بين البكتيريا والبشر.

صاغ العلماء مصطلح ميكروبيوم للإشارة إلى جميع الكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة وحقيقية النواة وموادها الوراثية المرتبطة بكائن أو بيئة معينة. داخل الميكروبيوم البشري ، توجد جراثيم مقيمة وميكروبات عابرة. تتكون الكائنات الحية الدقيقة المقيمة من الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش باستمرار في أجسامنا أو عليها. يشير مصطلح الكائنات الحية الدقيقة العابرة إلى الكائنات الحية الدقيقة الموجودة مؤقتًا فقط في جسم الإنسان ، وقد تشمل الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض. يمكن أن تؤدي النظافة والنظام الغذائي إلى تغيير كل من الجراثيم المقيمة والعابرة.

تتنوع الكائنات الحية الدقيقة المقيمة بشكل مثير للدهشة ، ليس فقط من حيث تنوع الأنواع ولكن أيضًا من حيث تفضيل الكائنات الحية الدقيقة المختلفة لمناطق مختلفة من جسم الإنسان. على سبيل المثال ، في فم الإنسان ، هناك الآلاف من أنواع البكتيريا المتكافئة أو المتبادلة. تفضل بعض هذه البكتيريا أن تسكن سطح اللسان ، بينما يفضل البعض الآخر السطح الداخلي للخدين ، بينما يفضل البعض الآخر الأسنان الأمامية أو الخلفية أو اللثة. يحتوي السطح الداخلي للخد على أقل عدد من الميكروبات تنوعًا بسبب تعرضه للأكسجين. على النقيض من ذلك ، فإن خبايا اللسان والمسافات بين الأسنان هما موقعان بهما تعرض محدود للأكسجين ، لذلك تحتوي هذه المواقع على مجهريات أكثر تنوعًا ، بما في ذلك البكتيريا التي تعيش في غياب الأكسجين (على سبيل المثال ، باكتيرويدس , المغزلية ). الاختلافات في الجراثيم الفموية بين الأفراد المختارين عشوائيا من البشر مهمة أيضا. وقد أظهرت الدراسات ، على سبيل المثال ، أن انتشار مثل هذه البكتيريا مثل العقدية , المستدمية , النيسرية ، والبعض الآخر كان مختلفًا بشكل كبير عند مقارنته بين الأفراد. 4

هناك أيضًا اختلافات ذات دلالة إحصائية بين الكائنات الحية الدقيقة في مواقع مختلفة من نفس جسم الإنسان. غلبة السطح الداخلي للخد العقدية، بينما في الحلق ، واللوز الحنكي ، واللعاب ، هناك مرتين إلى ثلاث مرات أقل العقديةوعدة مرات أكثر المغزلية. في اللويحة المزالة من اللثة ، تنتمي البكتيريا السائدة إلى الجنس المغزلية. ومع ذلك ، في الأمعاء ، على حد سواء العقدية و المغزلية تختفي والجنس باكتيرويدس تصبح سائدة.

لا يمكن أن تختلف الجراثيم من موقع إلى آخر في الجسم فحسب ، بل يمكن أن يتغير الميكروبيوم أيضًا بمرور الوقت داخل الفرد نفسه. يكتسب البشر اللقاحات الأولى للنباتات الطبيعية أثناء الولادة الطبيعية وبعد الولادة بفترة قصيرة. قبل الولادة ، هناك زيادة سريعة في عدد السكان اكتوباكيللوس النيابة. في المهبل ، ويعمل هؤلاء السكان كأول استعمار للجراثيم أثناء الولادة الطبيعية. بعد الولادة ، يتم الحصول على ميكروبات إضافية من مقدمي الرعاية الصحية ، والآباء ، والأقارب الآخرين ، والأفراد الذين يتعاملون مع الطفل. تنشئ هذه العملية ميكروبيومًا سيستمر في التطور على مدار حياة الفرد حيث تستعمر ميكروبات جديدة ويتم التخلص منها من الجسم. على سبيل المثال ، من المقدر أنه في غضون 9 ساعات ، يمكن أن تتغير الكائنات الحية الدقيقة للأمعاء الدقيقة بحيث يكون نصف سكان الميكروبات مختلفين. 5 أهمية الأولي اكتوباكيللوس تم تسليط الضوء على الاستعمار أثناء الولادة المهبلية من خلال الدراسات التي توضح ارتفاع معدل الإصابة بالأمراض لدى الأفراد الذين ولدوا بعملية قيصرية ، مقارنةً بمن ولدوا عن طريق المهبل. أظهرت الدراسات أن الأطفال الذين يولدون عن طريق المهبل يتم استعمارهم في الغالب عن طريق العصيات المهبلية ، في حين أن الأطفال الذين يولدون بعملية قيصرية يتم استعمارهم في كثير من الأحيان بواسطة ميكروبات الجلد الطبيعي ، بما في ذلك مسببات الأمراض الشائعة المكتسبة من المستشفى.

في جميع أنحاء الجسم ، تعتبر الميكروبات المقيمة مهمة لصحة الإنسان لأنها تحتل أماكن يمكن أن تؤخذها الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض. على سبيل المثال، اكتوباكيللوس النيابة. هي الأنواع البكتيرية السائدة من الجراثيم المهبلية الطبيعية لمعظم النساء. تنتج اللاكتوباسيلس حمض اللاكتيك الذي يساهم في حموضة المهبل ويمنع نمو الخمائر المسببة للأمراض. ومع ذلك ، عندما ينخفض ​​عدد الميكروبات المقيمة لسبب ما (على سبيل المثال ، بسبب تناول المضادات الحيوية) ، يزداد الرقم الهيدروجيني للمهبل ، مما يجعله بيئة أكثر ملاءمة لنمو الخمائر مثل المبيضات البيض . يمكن أن يؤدي العلاج بالمضادات الحيوية أيضًا إلى تعطيل الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء والجهاز التنفسي ، مما يزيد من خطر الإصابة بالعدوى الثانوية و / أو تعزيز النقل طويل الأمد وإفراز مسببات الأمراض.

تأكد من فهمك

  • اشرح الفرق بين التفاعلات التعاونية والتنافسية في المجتمعات الميكروبية.
  • ضع قائمة بأنواع التعايش واشرح كيف يتأثر كل مجتمع.

التصنيف والنظاميات

يعد تعيين بدائيات النوى لأنواع معينة أمرًا صعبًا. هم لا يتكاثرون جنسيا ، لذلك لا يمكن تصنيفهم على أساس وجود أو عدم وجود تهجين. أيضًا ، ليس لديهم العديد من الميزات المورفولوجية. تقليديا ، كان تصنيف بدائيات النوى يعتمد على شكلها وأنماط تلطيخها والاختلافات الكيميائية الحيوية أو الفسيولوجية. في الآونة الأخيرة ، مع تحسن التكنولوجيا ، أصبحت تسلسلات النيوكليوتيدات في الجينات معيارًا مهمًا لتصنيف الميكروبات.

في عام 1923 ، نشر عالم الأحياء الدقيقة الأمريكي ديفيد هندريكس بيرجي (1860-1937) دليل في علم الجراثيم المحدد. مع هذا الدليل ، حاول تلخيص المعلومات حول أنواع البكتيريا المعروفة في ذلك الوقت ، باستخدام التصنيف اللاتيني ذي الحدين. شمل بيرجي أيضًا الخصائص المورفولوجية والفسيولوجية والكيميائية الحيوية لهذه الكائنات. تم تحديث دليله عدة مرات ليشمل البكتيريا الأحدث وخصائصها. إنها مساعدة كبيرة في التصنيف البكتيري وطرق توصيف البكتيريا. منشور أخت أكثر حداثة ، خمسة مجلدات دليل بيرجي علم الجراثيم النظامي، يوسع في دليل Bergey الأصلي. يتضمن عددًا كبيرًا من الأنواع الإضافية ، جنبًا إلى جنب مع الأوصاف الحديثة للتصنيف والخصائص البيولوجية لجميع الأصناف بدائية النواة المسماة. يتضمن هذا المنشور أسماء البكتيريا المعتمدة على النحو المحدد في قائمة أسماء بدائيات النوى مع الوقوف في التسمية (LPSN).

ارتباط بالتعلم

الطبعة السابعة (نشرت عام 1957) من دليل بيرجي لعلم الجراثيم المحدد انه متاح الان. أحدث الإصدارات المحدثة متوفرة في الطباعة. يمكنك أيضًا الوصول إلى قاعدة بيانات قابلة للبحث من السلالات المرجعية الميكروبية ، والتي نشرتها American Type Culture Collection (ATCC).

التصنيف عن طريق تلطيخ الأنماط

وفقًا لأنماط تلطيخها ، والتي تعتمد على خصائص جدرانها الخلوية ، تم تصنيف البكتيريا تقليديًا إلى موجبة الجرام ، وسالبة الجرام ، و "غير نمطية" ، مما يعني أنها ليست موجبة الجرام ولا سالبة الجرام. كما هو موضح في تلطيخ العينات المجهرية ، تمتلك البكتيريا موجبة الجرام جدار خلية ببتيدوغليكان سميكًا يحتفظ بالبقعة الأولية (البنفسجي البلوري) أثناء خطوة إزالة اللون ، حيث تظل أرجوانية بعد إجراء صبغة الجرام لأن اللون البنفسجي البلوري يهيمن على اللون الأحمر الفاتح / الوردي. من المضاد الثانوي ، safranin. في المقابل ، تمتلك البكتيريا سالبة الجرام جدار خلية ببتيدوجليكان رقيق لا يمنع البنفسج الكريستالي من الغسل أثناء خطوة إزالة اللون ، لذلك تظهر باللون الأحمر الفاتح / الوردي بعد تلطيخها بالسفرانين. تسمى البكتيريا التي لا يمكن تلطيخها بواسطة إجراء صبغة غرام القياسي بكتيريا غير نمطية. المدرجة في الفئة غير النمطية هي أنواع الميكوبلازما و الكلاميديا . ريكتسيا تعتبر أيضًا غير نمطية لأنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تقييمها بواسطة صبغة جرام.

في الآونة الأخيرة ، بدأ العلماء في تصنيف البكتيريا سالبة الجرام والإيجابية الجرام. لقد أضافوا مجموعة خاصة من البكتيريا المتفرعة بعمق بناءً على مجموعة من السمات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية والوراثية. كما أنهم الآن يصنفون البكتيريا سالبة الجرام إلى بكتيريا بروتيوبكتيريا ، Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides (CFB) ، واللولبيات.

يُعتقد أن البكتيريا المتفرعة بعمق هي شكل تطوري مبكر جدًا للبكتيريا (انظر البكتيريا المتفرعة بعمق). إنهم يعيشون في ظروف حارة وحمضية ومعرضة للأشعة فوق البنفسجية واللاهوائية (محرومة من الأكسجين). البكتيريا المتقلبة هي شعبة من مجموعات متنوعة للغاية من البكتيريا سالبة الجرام وتشمل بعض مسببات الأمراض البشرية الهامة (على سبيل المثال ، بكتريا قولونية و البورديتيلة السعال الديكي ). تشتمل مجموعة البكتيريا CFB على مكونات ميكروبيوتا الأمعاء البشرية الطبيعية ، مثل باكتيرويدس . اللولبيات هي بكتيريا لولبية الشكل وتشمل العوامل الممرضة اللولبية الشاحبة الذي يسبب مرض الزهري. سنقوم بتمييز هذه المجموعات من البكتيريا بمزيد من التفصيل لاحقًا في الفصل.

بناءً على انتشار نيوكليوتيدات الجوانين والسيتوزين ، يتم تصنيف البكتيريا موجبة الجرام أيضًا إلى بكتيريا G + C منخفضة و G + C عالية إيجابية الجرام. تحتوي البكتيريا الموجبة للجرام منخفضة G + C على أقل من 50 ٪ من نيوكليوتيدات الجوانين والسيتوزين في حمضها النووي. وهي تشمل مسببات الأمراض البشرية ، مثل تلك التي تسبب الجمرة الخبيثة ( عصيات الجمرة الخبيثة )، كزاز ( كلوستريديوم الكزازية ) ، والليستريات ( الليسترية المستوحدة ). تحتوي البكتيريا عالية G + C إيجابية الجرام ، والتي تحتوي على أكثر من 50 ٪ من نيوكليوتيدات الجوانين والسيتوزين في حمضها النووي ، على البكتيريا التي تسبب الدفتيريا ( بكتريا الخناق الوتدية )، مرض السل ( السل الفطري ) وأمراض أخرى.

تتغير تصنيفات بدائيات النوى باستمرار مع اكتشاف أنواع جديدة. سوف نصفهم بمزيد من التفصيل ، جنبًا إلى جنب مع الأمراض التي تسببها ، في أقسام وفصول لاحقة.

تأكد من فهمك

اتصالات مايكرو

مشروع الميكروبيوم البشري

تم إطلاق مشروع Microbiome البشري من قبل المعاهد الوطنية للصحة (NIH) في عام 2008. أحد الأهداف الرئيسية للمشروع هو إنشاء مستودع كبير للتسلسلات الجينية للميكروبات المهمة الموجودة في البشر ، مما يساعد علماء الأحياء والأطباء على فهم ديناميكيات الميكروبيوم البشري والعلاقة بين الجراثيم البشرية والأمراض. قامت شبكة من المعامل التي تعمل معًا بتجميع البيانات من مسحات من عدة مناطق من الجلد والأمعاء والفم من مئات الأفراد.

كان أحد التحديات في فهم الميكروبيوم البشري هو صعوبة زراعة العديد من الميكروبات التي تعيش في جسم الإنسان. تشير التقديرات إلى أننا قادرون على زراعة 1٪ فقط من البكتيريا في الطبيعة وأننا غير قادرين على زراعة الـ 99٪ المتبقية. لمواجهة هذا التحدي ، استخدم الباحثون التحليل الميتاجينومي ، الذي يدرس المواد الجينية التي يتم حصادها مباشرة من المجتمعات الميكروبية ، على عكس الأنواع الفردية التي تزرع في الثقافة. يسمح هذا للباحثين بدراسة المادة الجينية لجميع الميكروبات في الميكروبيوم ، بدلاً من تلك التي يمكن زراعتها فقط. 6

يتمثل أحد الإنجازات المهمة لمشروع الميكروبيوم البشري في إنشاء أول قاعدة بيانات مرجعية للكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في جسم الإنسان وعليه. العديد من الميكروبات الموجودة في الميكروبيوم مفيدة ، لكن بعضها ليس كذلك. لقد وجد ، بشكل غير متوقع إلى حد ما ، أن كل واحد منا لديه بعض مسببات الأمراض الميكروبية الخطيرة في الكائنات الحية الدقيقة لدينا. على سبيل المثال ، تحتوي ملتحمة العين البشرية على 24 جنسًا من البكتيريا والعديد من الأنواع المسببة للأمراض. 7 يحتوي فم الإنسان السليم على عدد من الأنواع من الجنس العقدية ، بما في ذلك الأنواع المسببة للأمراض S. المقيحة و الرئوية الرئوية. 8 وهذا يثير التساؤل عن سبب وجود بعض الكائنات بدائية النواة بشكل متكافئ في أفراد معينين ولكنها تعمل كممرضات قاتلة في الآخرين. ومن غير المتوقع أيضًا عدد الكائنات الحية التي لم يتم استزراعها مطلقًا. على سبيل المثال ، في دراسة ميتاجينومية واحدة لميكروبات الأمعاء البشرية ، تم تحديد 174 نوعًا جديدًا من البكتيريا. 9

الهدف الآخر للمستقبل القريب هو توصيف الجراثيم البشرية في المرضى الذين يعانون من أمراض مختلفة ومعرفة ما إذا كانت هناك أي علاقات بين محتويات الجراثيم للفرد وخطر الإصابة بأمراض معينة أو قابليتها للإصابة بها. قد يكشف تحليل الميكروبيوم في شخص مصاب بمرض معين عن طرق جديدة لمكافحة الأمراض.

الحواشي

    الصحافة الطبية. "يمكن لبكتيريا الفم تغيير نظامها الغذائي ، كما تكشف أجهزة الكمبيوتر العملاقة." 12 أغسطس 2014. http://medicalxpress.com/news/2014-08-mouth-bacteria-diet-supercomputers-reveal.html. تم الوصول إليه في 24 فبراير 2015. أ. أبوت. "العلماء يرفضون الأسطورة القائلة بأن أجسادنا بها بكتيريا أكثر من الخلايا البشرية: الافتراض القديم حول الكائنات الحية الدقيقة أعيد النظر فيه." طبيعة سجية. http://www.nature.com/news/scientists-bust-myth-that-our-bodies-have-more-bacteria-than-human-cells-1.19136. تم الوصول إليه في 3 يونيو 2016. Kravetz "البكتيريا الفريدة تحارب النفايات الكيميائية من صنع الإنسان." 2012. http://www.livescience.com/25181-bacteria-strain-cleans-up-toxins-nsf-bts.html. تم الوصول إليه في 9 مارس 2015. إي إم بيك وآخرون. "التنوع البكتيري في تجويف الفم لـ 10 أفراد أصحاء." مجلة ISME 4 لا. 8 (2010): 962-974. نسخة. بويجينك وآخرون "تم اكتشاف تباين زمني مرتفع وداخل الفرد في الكائنات الحية الدقيقة البشرية المخروطية." علم الأحياء الدقيقة البيئية 12 لا. 12 (2010): 3213-3227. المعاهد الوطنية للصحة. “مشروع ميكروبيوم الإنسان. ملخص." http://commonfund.nih.gov/hmp/overview. تم الوصول إليه في 7 يونيو 2016. Q. Dong et al. "تنوع البكتيريا في الملتحمة البشرية الصحية." طب العيون الاستقصائي والعلوم البصرية 52 لا. 8 (2011): 5408–5413. F.E. Dewhirst وآخرون. "الميكروبيوم البشري عن طريق الفم." مجلة علم الجراثيم 192 لا. 19 (2010): 5002-5017. جيه سي لاجير وآخرون. "الثقافات الميكروبية: التحول النموذجي في دراسة ميكروبيوم الأمعاء البشرية." علم الأحياء الدقيقة السريرية والعدوى 18 لا. 12 (2012): 1185-1193.

بصفتنا مشاركًا في Amazon ، فإننا نكسب من عمليات الشراء المؤهلة.

هل تريد الاستشهاد بهذا الكتاب أو مشاركته أو تعديله؟ هذا الكتاب هو Creative Commons Attribution License 4.0 ويجب أن تنسب OpenStax.

    إذا كنت تعيد توزيع هذا الكتاب كله أو جزء منه بتنسيق طباعة ، فيجب عليك تضمين الإسناد التالي في كل صفحة مادية:

  • استخدم المعلومات أدناه لتوليد اقتباس.نوصي باستخدام أداة اقتباس مثل هذه.
    • المؤلفون: نينا باركر ، مارك شنيغورت ، آنه هيو ثي تو ، فيليب ليستر ، بريان إم فورستر
    • الناشر / الموقع الإلكتروني: OpenStax
    • عنوان الكتاب: علم الأحياء الدقيقة
    • تاريخ النشر: 1 نوفمبر 2016
    • المكان: هيوستن ، تكساس
    • عنوان URL للكتاب: https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    • عنوان URL للقسم: https://openstax.org/books/microbiology/pages/4-1-prokaryote-habitats-relationships-and-microbiomes

    © أغسطس 20 ، 2020 OpenStax. محتوى الكتاب المدرسي الذي تنتجه OpenStax مرخص بموجب ترخيص Creative Commons Attribution License 4.0. لا يخضع اسم OpenStax وشعار OpenStax وأغلفة كتب OpenStax واسم OpenStax CNX وشعار OpenStax CNX لترخيص المشاع الإبداعي ولا يجوز إعادة إنتاجه دون الحصول على موافقة كتابية مسبقة وصريحة من جامعة رايس.


    محتويات

    تم تحديد الحمض النووي الريبي البكتيري الصغير كمكونات للعديد من الشبكات التنظيمية. تم تحديد عشرين من الحمض النووي الريبي بشكل تجريبي في الأجسام الشبه الكروية رودوباكتر ، وقد تبين أن الغزيرة تتأثر بالأكسجين القمري (1 O2) مكشوف. [6] 1 س2 الذي يولد إجهادًا مؤكسدًا ضوئيًا ، يصنعه الكلوروفيل الجرثومي عند التعرض للأكسجين والضوء. واحد من 1 O2 المستحثة sRNAs سوري (1 س2 تم تحفيز RNA Y) تحت العديد من ظروف الإجهاد ومنح المقاومة ضد 1 O2 بالتأثير على ناقل المستقلب. [7] سوركس هي الثانية 1 O2 المستحثة sRNA التي تتصدى للإجهاد التأكسدي من خلال استهداف mRNA لناقل. كما أن لها تأثير على المقاومة ضد الأكاسيد المائية العضوية. [8] تسمى مجموعة مكونة من أربع جزيئات رنا متجانسة CcsR لقد ثبت أن الحمض النووي الريبي الناجم عن الإجهاد الناجم عن عزر CCUCCUCCC يلعب دورًا في مقاومة الإجهاد التأكسدي الضوئي أيضًا. [9] PcrZ (التحكم في التمثيل الضوئي RNA Z) المحددة في R. sphaeroides ، هو عبر-تفاعل الرنا الريباسي الذي يبطل الحث المعتمد على الأكسدة والاختزال لجينات التمثيل الضوئي ، بوساطة منظمات البروتين. [10]

    R. sphaeroides يشفر العديد من الأكسيدات الطرفية التي تسمح بنقل الإلكترون إلى الأكسجين ومستقبلات الإلكترون الأخرى (مثل DMSO أو TMAO). [11] لذلك ، يمكن لهذا الكائن الدقيق أن يتنفس في ظل ظروف الأكسدة ، والأكسجين الدقيق ، ونقص الأكسجين في كل من ظروف الإضاءة والظلام. علاوة على ذلك ، فهي قادرة على قبول مجموعة متنوعة من ركائز الكربون ، بما في ذلك جزيئات C1 إلى C4 والسكريات والأحماض الدهنية. [12] توجد عدة مسارات لتقويض الجلوكوز في جينومه ، مثل مسار Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) ومسار Entner-Doudoroff (ED) ومسار فوسفات Pentose (PP). [13] مسار الضعف الجنسي هو المسار السائد لتحلل السكر في هذا الكائن الدقيق ، [14] بينما يساهم مسار النبض الكهرومغناطيسي فقط بدرجة أقل. [15] الاختلاف في توافر المغذيات له تأثيرات مهمة على فسيولوجيا هذه البكتيريا. على سبيل المثال ، يؤدي انخفاض توتر الأكسجين إلى تنشيط تخليق آلية التمثيل الضوئي (بما في ذلك أنظمة الصور ومجمعات الهوائيات والأصباغ). علاوة على ذلك ، يؤدي استنفاد النيتروجين في الوسط إلى تراكم بولي هيدروكسي بوتيرات داخل الخلايا ، وهو بوليمر احتياطي. [16]

    يوجد نموذج استقلابي على نطاق الجينوم لهذا الكائن الدقيق ، [17] والذي يمكن استخدامه للتنبؤ بتأثير التلاعب الجيني على تدفقاته الأيضية. لتسهيل تحرير الجينوم في هذا النوع ، تم تطوير أداة تعديل الجينوم CRISPR / Cas9 [18] وتم توسيعها. [19] علاوة على ذلك ، تمت دراسة تقسيم التدفقات داخل الخلايا بالتفصيل ، وأيضًا بمساعدة 13 C-glucose isotopomers. [15] [20] إجمالاً ، يمكن استخدام هذه الأدوات للتحسين R. sphaeroides كمصنع خلية للتكنولوجيا الحيوية الصناعية. [3]


    كيميائيات التغذية

    إنتاج NADH عن طريق البكتيريا الكيماوية

    مع العديد من الكيميائيات ، فإن احتمال نصف التفاعل الذي يحرك عملية التمثيل الغذائي (في حالة نيتروسوموناس، نزع الهيدروجين من هيدروكسيل أمين) على ما يبدو ليس منخفضًا بدرجة كافية لتقليل NAD + مباشرة. وبالتالي ، يجب أن تدفع المركبات الكيميائية التلقائية الإلكترونات في الاتجاه العكسي لتقليل NAD + إلى NADH + H + في عملية تسمى النقل الإلكترون العكسي. يتم تحفيز التفاعل النهائي في هذه العملية بواسطة نازعة الهيدروجين NADH. في المواد الكيميائية العضوية ، يؤكسد NADH dehydrogenase NADH + H + إلى NAD + ، ويقلل الكينين ، ويضخ البروتونات إلى خارج الخلية. ومع ذلك ، في حالة نيتروسوموناس ( الشكل 2 ) و chemolithotrophs الأخرى ، يعمل التفاعل في الاتجاه العكسي لتشكيل NADH. هذه العملية غير ضرورية في البكتيريا ، مثل مؤكسدات الهيدروجين ، حيث يكون لإمكانات دعم النمو لنصف التفاعل الاختزالي (H 2 → 2 H + 2 e -) قيمة منخفضة بدرجة كافية بحيث يتم تقليل NAD + مباشرة.


    مجالات موضوع ASJC Scopus

    • APA
    • اساسي
    • هارفارد
    • فانكوفر
    • مؤلف
    • BIBTEX
    • RIS

    في: علم البيئة الميكروبية ، المجلد. 63 ، رقم 3 ، 01.04.2012 ، ص. 522-531.

    مخرجات البحث: المساهمة في المجلة ›المقال› مراجعة الأقران

    T1 - تحفيز نمو بكتيريا ألفا بروتيوبكتريا المؤكسدة باليود في البيئات الغنية باليود

    تم عزل البكتيريا N2 - α-Proteobacteria التي يمكنها أكسدة اليود (I -) إلى اليود الجزيئي (I 2) فقط من البيئات الطبيعية والصناعية الغنية باليود. ه. ، المياه المالحة للغاز الطبيعي ومياه البحر المكملة باليود ، على التوالي. لفهم خصائص نمو هذه البكتيريا المؤكسدة باليود (IOB) في البيئات الغنية باليود ، تم تحضير عوالم مصغرة تشتمل على مياه البحر الطبيعية و 1 ملي مولار من يوديد ، وتم رصد تعاقب المجتمعات الميكروبية من خلال تقنيات مستقلة عن الثقافة. أظهر التحليل الكهربائي للهلام المتدرج الذي يفسد طبيعة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) وتحليل تسلسل الجينات 16S rRNA أن البكتيريا المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بـ IOB المعروفة كانت سائدة في العوالم المصغرة بعد عدة أسابيع من الحضانة. أظهر تحليل PCR الكمي الذي يستهدف مناطق جينية محددة من الرنا الريباسي 16S من IOB أن الوفرة النسبية لـ IOB في العوالم المصغرة كانت 6-76 ٪ من إجمالي السكان البكتيريين ، بينما كان ذلك في مياه البحر الطبيعية أقل من 1 ٪. عندما تم تلقيح 10 3 خلايا مل -1 من IOB في مياه البحر الطبيعية المكملة بـ 0. 1-1 ملي يوديد ، نمو كبير (كثافة الخلايا ، 10 5-10 6 خلايا مل -1) وإنتاج I 2 (6-32 ميكرومتر) لوحظت. ومن المثير للاهتمام ، حدث تحفيز نمو مماثل عندما تمت إضافة 12-44 ميكرومتر من I 2 إلى مياه البحر ، بدلاً من اليوديد. تم العثور على IOB ليكون أكثر تحملاً لـ I 2 من البكتيريا غيرية التغذية الأخرى في مياه البحر. تشير هذه النتائج إلى أن I 2 يلعب دورًا رئيسيًا في تحفيز نمو IOB في مياه البحر. يمكن أن يهاجم IOB بكتيريا أخرى بـ I 2 لتحتل مكانتها البيئية في البيئات الغنية باليود.

    تم عزل البكتيريا AB - α-Proteobacteria التي يمكنها أكسدة اليود (I -) إلى اليود الجزيئي (I 2) فقط من البيئات الطبيعية والصناعية الغنية باليود. ه. ، المياه المالحة للغاز الطبيعي ومياه البحر المكملة باليود ، على التوالي. لفهم خصائص نمو هذه البكتيريا المؤكسدة باليود (IOB) في البيئات الغنية باليود ، تم تحضير عوالم مصغرة تشتمل على مياه البحر الطبيعية و 1 ملي مولار من يوديد ، وتم رصد تعاقب المجتمعات الميكروبية من خلال تقنيات مستقلة عن الثقافة. أظهر التحليل الكهربائي للهلام المتدرج الذي يفسد طبيعة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) وتحليل تسلسل الجينات 16S rRNA أن البكتيريا المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بـ IOB المعروفة كانت سائدة في العوالم المصغرة بعد عدة أسابيع من الحضانة. أظهر التحليل الكمي لـ PCR الذي يستهدف مناطق جينية محددة من الرنا الريباسي 16S من IOB أن الوفرة النسبية لـ IOB في العوالم المصغرة كانت 6-76 ٪ من إجمالي السكان البكتيريين ، بينما كان ذلك في مياه البحر الطبيعية أقل من 1 ٪. عندما تم تلقيح 10 3 خلايا مل -1 من IOB في مياه البحر الطبيعية المكملة بـ 0. 1-1 ملي يوديد ، نمو كبير (كثافة الخلايا ، 10 5-10 6 خلايا مل -1) وإنتاج I 2 (6-32 ميكرومتر) لوحظت. ومن المثير للاهتمام ، حدث تحفيز نمو مماثل عندما تمت إضافة 12-44 ميكرومتر من I 2 إلى مياه البحر ، بدلاً من اليوديد. تم العثور على IOB ليكون أكثر تحملاً لـ I 2 من البكتيريا غيرية التغذية الأخرى في مياه البحر. تشير هذه النتائج إلى أن I 2 يلعب دورًا رئيسيًا في تحفيز نمو IOB في مياه البحر. يمكن أن يهاجم IOB بكتيريا أخرى بـ I 2 لتحتل مكانتها البيئية في البيئات الغنية باليود.


    نتائج

    في النصف الأول من قسم النتائج ، نتناول السؤال الأول حول ما إذا كان موت الخلايا بوساطة McrBC من خلال انقسام الكروموسومات الميثيلية يحدث عند دخول / تحريض جين ميثيل ترانسفيراز اللاجيني ويتسبب في إحباط إنشاء / تنشيط هذا الجين.

    تثبيط بوساطة McrBC لتأسيس جين DNA methyltransferase

    سألنا أولاً عن العواقب البيولوجية لـ McrBC ، أي ما إذا كان إنشاء جين نقل الميثيل المنقول قد تم إجهاضه من خلال عمل McrBC. بصفتنا ميثيل ترانسفيراز ، اخترنا PvuII methyltransferase (M.PvuII) لنظام PvuII RM. يتعرف على CAGCTG ويولد CAG m4 CTG [37 ، 41] ، وهو تسلسل مستهدف من McrBC [33].

    أشارت العديد من التقارير إلى أن العاثيات أو البلازميدات التي تحمل جين ميثيل ترانسفيراز الدنا لا يمكن أن تنتشر في mcrBC + سلالة بكتريا قولونية [42]. لم يتم تناول ما إذا كانت كتلة التكاثر ناتجة عن مثيلة متكررة للحمض النووي الذي تم إدخاله والانقسام اللاحق [42] أو بسبب مثيلة الجينوم المضيف والانقسام ، كما افترضنا في هذا العمل.

    قدمنا ​​بلازميد يحمل جين PvuII methyltransferase (M. PvuII ، CAG m4 CTG) ولكنه يفتقر إلى مواقع التعرف على PvuII (pEF43 في الجدول 1) في اختبار التحول الكمي (الشكل 2 أ). انخفضت كفاءة التحويل بأربعة أوامر من حيث الحجم في mcrbc- بطريقة مستقلة (الشكل 2 ب). لم يحدث النقص في حالة الجينات لثلاثة أخرى من ناقلات ميثيل السيتوزين ، M.EcoRII (C m5 CWGG) ، M.SsoII (C m5 CNGG) ، و M.BamHI (GGAT m4 CC) ، بما يتوافق مع خصوصية تسلسل ماكربك [33]. وجدنا أن البلازميد الذي يحمل جين PvuII methyltransferase وموقعين للتعرف على PvuII تم تثبيطه أيضًا في إنشائه بنفس الترتيب من حيث الحجم (التاريخ غير موضح). تشير نتائجنا إلى أن المواقع الميثيلية على الحمض النووي المنقول لم تكن مطلوبة للتثبيط المعتمد على McrBC لتأسيسه وانتشاره. توضح هذه النتائج أن McrBC يمكن أن يحبط إنشاء العنصر المنقول باستخدام جين ميثيل ترانسفيراز ، علاوة على ذلك ، تشير إلى أن هذا يتم من خلال الانقسام بوساطة McrBC للحمض النووي الكروموسومي الميثلي ، على عكس ذلك الموجود على الحمض النووي المنقول.

    الحجب بوساطة McrBC لإنشاء نظام مثيلة الجينوم اللاجيني. (أ) التحول الكمي. تم استخدام كميات متفاوتة من pUC19 (2 بيكوغرام ، 20 بيكوغرام ، 200 بيكوغرام ، 2 نانوغرام ، 20 نانوغرام ، و 200 نانوغرام) للتحويل بكتريا قولونية DH5α عن طريق التثقيب الكهربائي. الاختبارات اجريت في ثلاث نسخ. (ب) تحول البلازميدات الحاملة لجين PvuII methyltransferase. تم استخدام البلازميدات (100 نانوغرام) التي تحمل أحد جينات ميثيل ترانسفيراز المعدلة للتحويل بكتريا قولونية ER1562 (mcrB1) و ER1563 (mcrbc +). تم حساب كفاءة التحويل النسبي كنسبة كفاءة التحويل لبلازميد الاختبار إلى تلك الخاصة بالناقل الفارغ. يشير M.PvuII (ColE1) إلى pEF43 ، بينما يشير M.PvuII (pPvu1) إلى pEF65 (الجدول 1). المتجه الفارغ للأخير هو pEF67 ، بينما المتجه الأول هو pEF33. متجه البلازميدات المتبقية هو pBR322. يتم عرض القياسات من تجربتين منفصلتين أجريتا في نسختين. جميع (20/20) من المحولات النادرة من mcrBC + بواسطة pEF43 الذي تم فحصه وجد أنه فقد نشاط McrBC.

    تم العثور على المركب الجيني PvuII RM على pPvu1 ، وهو بلازميد منخفض النسخ من Proteus vulgaris [37] يمكنه أيضًا التكاثر في E. coli [43]. تنتمي كل من المتقلبة الشائعة والإشريكية القولونية إلى عائلة Enterobacteriaceae وتشترك أيضًا في مكانة بيئية ، وهي أمعاء البشر والحيوانات ذات الصلة. لذلك ، تهدف هذه التجارب إلى إعادة إنتاج الأحداث التي من المحتمل أن تحدث في البيئة الطبيعية ، على الرغم من أنها تضمنت استخدام بلازميدات متعددة النسخ (مشتقة من ColE1). تم حظر تحول البلازميد المشتق من pPvu1 الذي يحمل M.PvuII وجين مقاومة الأدوية كعلامة انتقائية وتفتقر إلى مواقع PvuII (pEF65 في الجدول 1) بواسطة McrBC بنفس قوة البلازميد متعدد النسخ أعلاه (الشكل 2 ب). هذا يشير إلى أن التثبيط القوي له صلة بيولوجية.

    انقسام كروموسوم بوساطة McrBC بعد النقل بوساطة الملتهمة لجين ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي

    من المحتمل أن يكون سبب التثبيط المذكور أعلاه لتكوين جين ميثيل ترانسفيراز هو الانقسام المميت للكروموسومات التي تتحول إلى ميثيل. بعد ذلك ، سألنا ما إذا كان McrBC يشق بالفعل كروموسومات المضيف من أجل إجهاض انتشار جين مثيلة الجينوم الجيني المنقول. لفحص هذه المشكلة ، أدخلنا جين M.PvuII في بكتريا قولونية بواسطة متجه لاقمات λ.

    قمنا أولاً بإعداد سلالة فج LIK891 مع 15 موقعًا من PvuII (المواد والطرق) في مضيف يحمل PvuII methyltransferase (المواد والطرق). تم تأكيد حالة التعديل من خلال مقاومتها لتقييد PvuII على حد سواء في المختبر و في الجسم الحي على النحو التالي. عندما تفاعل الحمض النووي لجينوم الملتهمة المحضر من تحضير λ المنقى مع PvuII ، لم يلاحظ أي تغيير في نمط الرحلان الكهربائي للهلام في حالة تم فيها شق DNA جينوم الملتهمة غير المعدل تمامًا. لم يُظهر تحضير الملتهمة المعدلة PvuII انخفاضات يمكن اكتشافها في كفاءة تكوين البلاك في مضيف يحمل نظام PvuII RM. في الإشريكية القولونية mcrBC + سلالة ، أظهر تحضير PvuII المعدل للعاثية انخفاضًا بمقدار 10 أضعاف في كفاءة تكوين البلاك (الشكل 3 أ). تمشيا مع التقارير السابقة [36 ، 37] ، تشير هذه الملاحظة إلى أن McrBC لا يمكنه تقييد جينوم الملتهمة الميثيلية بكفاءة.

    تثبيط بوساطة McrBC لنمو الملتهمة وانقسام الكروموسوم. (أ) Phage λ عيار على ER1563 (mcrBC +) مقسومة على عيارها على ER1562 (mcrB1) من أجل تجربتين مستقلتين. (1) سلالة مع 15 موقعًا من PvuII (LIK891 انظر المواد والطرق) (II) نفس السلالة ولكن تم تعديلها بواسطة PvuII methyltransferase (III) نفس السلالة مع إدخال جين PvuII methyltransferase (LEF1). (ب) تدهور الكروموسوم في ER1562 (mcrB1) و ER1563 (mcrBC +). 5 × 10 8 خلايا مصابة بـ LEF1 بتعددية عدوى 5. في الفترات الزمنية المحددة (بالدقائق) بعد إصابة الملتهمة الحاملة لجين PvuII methyltransferase (LEF1) ، تم تحضير DNA الكروموسومي وتعريضه ل agarose الحقل النبضي هلام الكهربائي. م ، λ سلم الحمض النووي.

    ومع ذلك ، تم تقييد λ سلالة الملتهمة LEF1 ، التي تحمل جين PvuII methyltransferase ، بمقدار 10000 ضعف (الشكل 3 أ). تتفق هذه النتيجة مع التقارير السابقة التي تشير إلى أن العاثيات التي تحمل جين ميثيل ترانسفيراز الدنا لا يمكن أن تنتشر في mcrBC + سلالة بكتريا قولونية [43]. كما أشرنا في القسم السابق ، ما إذا كان منع الانتشار ناتجًا عن مثيلة متكررة للحمض النووي الذي تم إدخاله والانشقاق التالي بوساطة McrBC [43] أو بسبب مثيلة الجينوم المضيف وانقسامه المميت بوساطة McrBC لم تتم معالجته.

    عندما فحصنا كروموسومات الخلايا المصابة بالرحلان الكهربائي للهلام النبضي ، لاحظنا تراكم الحمض النووي الخطي الضخم المقابل للكروموسومات المكسورة (المشار إليها في الشكل 3 ب في الممرات في 30 و 45 دقيقة بعد الإصابة) والحمض النووي الأصغر حجمًا متغيرًا ( اللطاخة في الشكل 3 ب في الممر بعد 45 دقيقة من الإصابة) ، والتي من المحتمل أن تعكس تدهور الكروموسوم. كان مظهرهم mcrBC + - معتمد (mcrB1 الممرات في الشكل 3 ب). تشير هذه الملاحظة بقوة إلى أن مثيلة الكروموسوم بوساطة M.PvuII تسببت في انقسام الكروموسوم بواسطة McrBC ، والذي تبعه تدهور الكروموسوم. وهذا بدوره يشير إلى أن تثبيط تكاثرها (الشكل 3 أ) ناتج عن موت العائل.

    من الناحية الأبوية ، لاحظنا فرقة مشتقة من كلاهما مكرب - و mcrbc + سلالات في منتصف نفس الهلام وأنواع أخرى في أدنى موضع من mcrBC + خلايا (البيانات غير معروضة). من خلال حركتهم ، استنتجنا أن هذه العصابات تمثل الشكل الدائري المقطوع والشكل الخطي المشقوق لـ e14 ، وهي فجوة لامبودية معيبة [44 ، 45]. نظرًا لأن موقع e14 يحتوي على موقع PvuII واحد ، فمن المتوقع أن يظهر شكله الخطي بعد الانقسام بوساطة McrBC [46]. نظرًا لأن العاثيات اللمفاوية لها نفس التنظيم الجيني [47-49] والتنظيم [50] ، فلن يكون من المفاجئ جدًا أن يؤدي التعبير الجيني من الوارد λ بطريقة ما إلى التعبير عن وظيفة الاستئصال لـ e14.

    موت الخلايا بوساطة McrBC وتدهور الكروموسوم بعد تحريض ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي

    اقترحت المجموعتان أعلاه من التجارب بقوة أن McrBC يتوسط في تثبيط انتشار جين ميثيل ترانسفيراز DNA PvuII من خلال الانقسام المميت للكروموسومات الميثيلية. سألنا بعد ذلك ما إذا كان تحريض PvuII methyltransferase يؤدي إلى مثيلة الكروموسوم متبوعًا بانقسامه بوساطة McrBC وموت الخلية. علاوة على ذلك ، سألنا عما إذا كان بإمكاننا إيجاد علاقة وثيقة بين هذه العمليات الثلاث: المثيلة ، والانقسام ، والموت.

    أولاً ، قمنا باستنساخ ملف pvuIIM [51] الجين المصب لمحفز BAD المستحث بأرابينوز. قمنا بإعداد سلالات مضيفة لهذه التجربة بناءً على عمل خليبنيكوف وآخرون. [52]. نجح هؤلاء المؤلفون في تحقيق تعبير متجانس من مروج BAD وحصلوا على زيادة خطية في مستوى التعبير استجابة لتركيز أرابينوز عن طريق حذف اراباد و araFGH الأوبرا واستبدال أرا المروج مع المروج التأسيسي [52]. قدمنا ​​هذه الطفرات لبناء متساوي المنشأ mcrBC +/- سلالات (BIK18260 و BIK18261 في الجدول 2). في ثلاثة تركيزات من الأرابينوز (0٪ ، 0.0002٪ ، و 0.002٪) تمكنا من إثبات الارتباط بين مثيلة الجينوم وكسر الجينوم وموت الخلايا (الشكل 4) كما هو مفصل أدناه.

    يؤدي التعبير عن PvuII methyltransferase إلى مثيلة الكروموسوم و mcrbc- تكسر الكروموسوم المعتمد وموت الخلايا. (أ) تأكيد مثيلة الكروموسوم. BIK18260 (mcrB1) خلايا تحمل pEF24 (pvuIIM تحت مروج pBAD ، انظر الجدول 1) ، تمت زراعتها في مرق LB تحت اختيار المضادات الحيوية إلى المرحلة الأسية المتوسطة ، وتم تخفيفها إلى OD 600 = 0.1 ، ثم نمت في وجود 0.002 ٪ أو 0.002 ٪ أرابينوز (ara) للحث على التعبير عن م. في الفترات الزمنية المحددة (بالدقائق) ، تم تحضير الحمض النووي للكروموسومات ، وهضمه باستخدام نوكلياز PvuII (TaKaRa Bio) ، وتعريضه للرحلان الكهربائي لهلام الاغاروز النبضي. M ، λ سلم الحمض النووي. (ب) DNA الكروموسوم في BIK18261 (mcrBC +) تحمل pEF24 بعد تحريض PvuII methyltransferase. (ج) تم قياس مضان إيثيديوم بروميد في البئر للتجارب في (ب). (د) فقدان حيوية الخلية.تمت مراقبة عدد الخلايا القابلة للحياة في نسختين في تجربتين مستقلتين. تم قسمة كل قيمة على القيمة في الوقت صفر. (هـ) شكل الخلية. تمت استعادة الخلايا بعد 60 دقيقة من إضافة تركيز أعلى (0.002٪) من أرابينوز. كانت ملطخة بـ DAPI لتصور النيوكلييدات ولوحظت عن طريق تباين الطور (يسار) وفلوري (يمين) بالفحص المجهري. يشير شريط المقياس إلى 10 ميكرومتر.

    تم قياس التقدم في مثيلة الجينوم ، في mcrBCسلالة سلبية ، بمقاومة الانقسام PvuII في المختبر (الشكل 4 أ). يوضح نمط الشريط المشقوق أن معدل تقدم مثيلة الحمض النووي الكروموسومي بعد الحث يرتبط بتركيز الأرابينوز (الشكل 4 أ). أدى التركيز المنخفض (0.0002٪) إلى تأخير في المثيلة بحوالي 30 دقيقة مقارنة بالتركيز الأعلى (0.002٪).

    تابعنا أيضًا مثيلة موقع PvuII واحد على بلازميد متعدد النسخ (pEF60 في الجدول 1) مدرج في الخلية. تم استخلاص البلازميدات من الخلايا (BIK18260) التي تحتوي على pEF60 و pEF24 (جين M.PvuII المحرض) وهضمها في المختبر مع PvuII و HindIII ، مما يقطع pEF60 في موقع واحد. أظهر القياس الكمي للعصابات أن موقع PvuII تمت ميثيلته بالكامل بعد 30 دقيقة و 60 دقيقة بعد الحث بنسبة 0.002٪ و 0.0002٪ أرابينوز ، على التوالي (البيانات غير معروضة). كان الوقت اللازم لتحقيق 50٪ مثيلة حوالي 13 دقيقة للتركيز الأعلى وحوالي 38 دقيقة للتركيز الأقل. اختلفوا بـ 25 دقيقة. وهكذا ، فإن المثيلة التي تمت ملاحظتها مع البلازميد تتفق جيدًا مع المثيلة التي لوحظت مع الكروموسوم.

    لاحظنا أيضًا مستوى منخفضًا من مثيلة PvuII لـ pEF60 في ظل ظروف القمع: 4.1٪ و 4.3٪ في تجربة واحدة و 5.3٪ و 6.0٪ في 5٪ أخرى تقابل 89 موقعًا من بين 1،778 موقعًا من PvuII في كروموسوم MG1655. يشير هذا إلى أنه يتم التعبير عن PvuII methyltransferase عند مستوى منخفض بسبب التسرب الطفيف من محفز BAD. يتوافق هذا مع التقارير السابقة عن هذا المحفز [51 ، 53] وصعوبة الحفاظ على جينات إنزيم التقييد تحت هذا المروج في الحالة المكبوتة في بكتريا قولونية [54] (M Watanabe و F Khan و Y Furuta و I Kobayashi ، ملاحظة غير منشورة).

    تسبب تحريض PvuII methyltransferase بالفعل في حدوث كسر فوري للكروموسوم كما تم اكتشافه بواسطة الرحلان الكهربائي للهلام في المجال النبضي في mcrBC + سلالة (الشكل 4 ب) ولكن ليس في mcrBC - سلالة (البيانات غير معروضة). مع ارتفاع تركيز الأرابينوز ، أصبحت جزيئات الحمض النووي الخطية الضخمة (في النقطة الوسطى بين البئر وعلامة 485 كيلو بايت) بارزة بعد 15 دقيقة من الحث ، ثم بدت وكأنها تتحول تدريجياً إلى أجزاء أصغر. مع انخفاض تركيز الأرابينوز ، ظهرت جزيئات الحمض النووي الخطية الضخمة بعد 30 دقيقة من الاستقراء وتتحلل بنفس الطريقة. وبالتالي ، فإن كسر الكروموسوم الذي لوحظ يرتبط جيدًا بتقدم المثيلة في mcrBC - أضنى. كشف القياس الكمي للحمض النووي في البئر ، والذي من المحتمل أن يمثل الكروموسومات السليمة نسبيًا ، أنها انخفضت بمرور الوقت بعد الاستقراء (الشكل 4 ج). ترتبط هذه الانخفاضات في تركيزات الأرابينوز المختلفة بشكل جيد مع تقدم المثيلة في mcrBC - أضنى.

    كان كسر الكروموسوم مصحوبًا بانخفاض في عدد الخلايا القابلة للحياة (وحدات تشكيل مستعمرة الشكل 4 د). كان تقدم الموت مرتبطًا مرة أخرى بتركيز الأرابينوز. أدى الحث الأقوى إلى موت الخلايا في غضون 15 دقيقة ، بينما سمح الحث الأضعف بالحفاظ على الصلاحية لمدة 30 دقيقة. ظهرت العديد من الخلايا كخيوط ذات نوى متعددة أو بدون نواة (الشكل 4 هـ). كما لوحظ تثبيط نمو الخلايا كما تم قياسه في OD في mcrBC + الخلايا 1-2 ساعة بعد الاستقراء (الشكل 5 أ ، أسفل اليسار) ، ولكن ليس في الحالة المكبوتة (الشكل 5 أ ، أعلى اليسار).

    تأثير recA و recBC الطفرات في نمو الخلايا وتغيرات الكروموسومات. (أ) نمو الخلايا. BIK18260 (mcrB1) ، BIK18261 (mcrBC +) ، BIK18290 (mcrB1 ΔrecA) ، BIK18291 (mcrBC + ΔrecA) ، BIK18292 (mcrB1 ΔrecBC) و BIK18293 (mcrBC + ΔrecBC) ، تحمل pEF24 (pSC101 ::pvuIIM، انظر الجدول 1) ، في مرق LB مع 0.2 ٪ جلوكوز ومضادات حيوية انتقائية إلى المرحلة الأسية ، مخففة إلى OD600 = 0.1 ثم نمت مع أو بدون 0.0002 ٪ أرابينوز. تمت مراقبة OD600 في الفترات الزمنية المحددة بعد إضافة أرابينوز. تم قسمة كل قيمة على القيمة في الوقت صفر. (ب) الكروموسومات في الخلايا غير المستحثة. BIK18261 (mcrBC +) ، BIK18291 (mcrBC + ΔrecA) و BIK18293 (mcrBC + ΔrecBC) ، ومشتقاتها التي تحمل pEF24 (pSC101 ::pvuIIM) في مرق LB مع 0.2٪ جلوكوز ومضادات حيوية انتقائية إلى المرحلة الأسية. تم تحضير الحمض النووي للكروموسومات وتعريضه للرحلان الكهربائي لهلام الاغاروز في المجال النبضي. M ، λ سلم الحمض النووي. (ج) الكروموسومات بعد الحث. DNA الكروموسوم في BIK18261 (mcrBC +) ، BIK18291 (mcrBC + ΔrecA) و BIK18293 (mcrBC + ΔrecBC) ، تحمل pEF24 (pSC101 ::pvuIIM) بعد تحريض PvuII methyltransferase بنسبة 0.002٪ أو 0.0002٪ أرابينوز. في الفترات الزمنية المحددة بعد الحث ، تم تحضير الحمض النووي الصبغي وتعريضه للرحلان الكهربائي لجيل الاغاروز النبضي. M1 ، λ سلم الحمض النووي M2 ، λ قطع الحمض النووي باستخدام HindIII.

    توضح هذه النتائج وجود علاقة بين مثيلة الجينوم ، وانكسار الكروموسوم ، وموت الخلايا عند تحريض PvuII methyltransferase. يقترحون بشدة أن مواقع الكروموسومات التي تمت ميثيلها بواسطة PvuII methyltransferase يتم شقها بواسطة McrBC وأن هذا الانقسام يؤدي إلى موت الخلية.

    تأثير الطفرات في الجينات المرتبطة بالحمض النووي

    إذا تم شق مواقع الكروموسومات التي تمت ميثيلها بواسطة PvuII methyltransferase بواسطة McrBC وهذا الانقسام يؤدي إلى موت الخلية ، فإن الطفرات في الإنزيمات المشاركة في العمليات المرتبطة بالحمض النووي قد تؤثر على هذه العمليات. قمنا بفحص نمو الخلايا وتغيرات الكروموسومات في العديد من الطفرات التي تم تغييرها في استقلاب الحمض النووي بطرق متنوعة.

    يشارك إنزيم RecBCD في تحلل الحمض النووي الناتج عن التحلل الخارجي للنووية من كسر مزدوج تقطعت به السبل ويولد نهاية DNA مفردة الجديلة مترابطة المنشأ [55]. عند الارتباط بهذا الحمض النووي أحادي الجديلة الذي تم إنشاؤه بواسطة RecBCD أو إنزيمات أخرى ، يبدأ بروتين RecA الاقتران المتماثل لإصلاح إعادة التركيب. يحفز RecA المرتبط بالحمض النووي أحادي السلسلة جينات SOS من خلال انشقاق مثبط LexA [56]. إذا كان RecA و RecBCD متورطين في معالجة وإصلاح كسر الكروموسوم بوساطة McrBC ، فقد يؤثر إزالتهما على بقاء الخلية ومعالجة الكروموسوم.

    أثرت الإزالة الطفرية لآلية نوكلياز / إعادة التركيب الخارجي RecBCD المضيفة على النمو ليس فقط في الحالة المستحثة ولكن أيضًا في الحالة المكبوتة (الشكل 5 أ). التفسير المحتمل للحالة غير المستحثة هو مثيلة الكروموسوم عن طريق التعبير الطفيف عن PvuII methyltansferase (انظر أعلاه). قمنا بتحليل الكروموسومات عن طريق الرحلان الكهربائي للهلام في المجال النبضي في أزواج سلالة مع وبدون Pسيء-pvuIIM البلازميد في mcrBC + الخلفية. تشير نتائجنا الموضحة في الشكل 5 ب بوضوح إلى التدهور المعتمد على البلازميد (اللطاخة) في recBC زيادة متحولة وتعتمد على البلازميد في الحمض النووي الخطي الضخم (الشريط السميك في نقطة المنتصف بين البئر وعلامة 485 كيلو بايت) في recA متحولة. تشير هذه النتائج بقوة إلى أن مثيلة الكروموسوم الجزئية أدت إلى كسر كروموسوم بوساطة McrBC وأن آلات RecBCD / RecA تقوم بإصلاح هذا الكسر. من المحتمل أن تكون العيوب في إصلاح كسر الكروموسوم بوساطة McrBC هي السبب في تأخر نمو recA و recBC المسوخ (الشكل 5 أ).

    عندما يتم إحداث ميثيل ترانسفيراز ، يفترض أن يؤدي إصلاح الكسر بوساطة RecBC / RecA إلى تأخير توقف النمو (الشكل 5 أ). ال recA أو recBC أثرت الطفرات بشكل طفيف على فقدان بقاء الخلية بعد 30 دقيقة من تحريض ميثيل ترانسفيراز (الجدول 3). ومع ذلك ، كان مستوى الصلاحية النهائي عند تعرض الجينوم للميثيل مشابهًا للمستوى الموجود في تفصيل + سلالة (البيانات غير معروضة).

    أظهرت الكروموسومات في هذه المسوخ تغييرات تتفق مع أنماط النمو المذكورة أعلاه وخصائصها المعروفة (الشكل 5 ج). ال recBC المتحولة أظهرت كمية كبيرة من الكروموسومات المكسورة الضخمة في الحالة غير المستحثة ، والتي ظلت وفيرة لمدة 60 دقيقة بعد الحث. في المنطقة السفلية ، والتي تتوافق مع كروموسومات مكسورة أصغر ، تظهر العديد من العصابات المنفصلة في recBC متحولة. يتماشى هذا مع العملية التي تم فيها تدهور الكروموسومات المكسورة بواسطة نوكلياز McrBC بواسطة نوكلياز RecBCD الخارجي. ال recA متحولة ، على عكس تفصيل + السلالة ، أظهر المزيد من الكروموسومات الضخمة المكسورة حتى في حالة عدم التسبب. في ال تفصيل + السلالة ، أصبحت هذه الأنواع بارزة بعد 15 دقيقة فقط من الحث واختفت. في ال recA متحولة ، ظلت وفيرة لمدة 30 دقيقة لكنها بدأت في التناقص بمقدار 45 دقيقة بعد الحث. كمية الكروموسومات الصغيرة المكسورة في recA كانت السلالة أقل من ذلك في تفصيل + إجهاد ، يُفترض أنه ناتج عن التحلل بواسطة إنزيم RecBCD. لا توجد نطاقات منفصلة مرئية في ملف recA متحولة ، والتي تتوافق مع تدهور الحمض النووي السريع والواسع بواسطة إنزيم RecBCD. يتم رؤية العصابات المنفصلة في تفصيل + سلالة لكنها ليست كثيرة كما في recBC متحولة.

    تتوافق أنماط الرحلان الكهربي هذه مع خطوات كسر الكروموسومات بوساطة McrBC ، والتحلل الخارج للنووية بوساطة RecBCD من الكسر ، والاقتران المتماثل بوساطة RecA للإصلاح. تم العثور أيضًا على إصلاح بوساطة RecBCD / RecA للقتل بعد الفصل العنصري بواسطة نظام RM من النوع الثاني [28]. من النتائج المعروضة في الشكل 5 والجدول 3 ، استنتجنا أن إصلاح إعادة التركيب بوساطة RecBCD / RecA يمكن أن يبطل عمل McrBC المميت إلى حد ما عند مستوى مثيلة منخفض. ومع ذلك ، يبدو أن إصلاح الكروموسوم من قبلهم غير قادر على المساهمة في بقاء الخلية عندما تصبح مثيلة الجينوم والانقسام بوساطة McrBC واسعة النطاق. هذا مشابه لانقسام الكروموسوم بواسطة إنزيم EcoRI متحور [57 ، 58].

    تشارك وظيفة RecA / RecBCD أيضًا في استجابة SOS كما هو مذكور. لم يلاحظ خيوط الخلية في أ recA سلالة الحذف (البيانات غير معروضة). يشير هذا إلى أن فتيل الخلية الذي لاحظناه يمثل استجابة SOS. من أجل تقييم آثار استجابة SOS على تثبيط النمو بوساطة McrBC وموت الخلايا ، قمنا بفحص المسوخات المرتبطة بـ SOS (الشكل 6 والجدول 3). من بين هؤلاء ، ليكسا(Ind -) متحولة معيبة في تحريض SOS ، فإن ليكسا(Def) mutant هو عنصر أساسي لاستقراء SOS ، و كتم المتحولة تظهر تكسرًا أقل للحمض النووي في الخلفية تحت بعض الخلفيات الجينية [59].

    تأثير الطفرات المرتبطة بـ SOS على نمو الخلايا. BIK18262 (mcrB1 mutS) ، BIK18264 (mcrBC + كتم) ، BIK18271 (mcrB1 ليكس(الهند -)) ، BIK18276 (mcrBC + ليكسا(الهند -)) ، BIK18278 (mcrB1 ليكس(Def)) ، BIK18280 (mcrBC + ليكسا(Def)) ، تحمل pEF24 (pSC101 ::pvuIIM انظر الجدول 1) ، في مرق LB مع 0.2 ٪ جلوكوز ومضادات حيوية انتقائية إلى الطور الأسي ، مخفف إلى OD 600 = 0.1 ثم نما مع أو بدون 0.0002 ٪ أرابينوز. تمت مراقبة OD600 في الفترات الزمنية المحددة بعد إضافة أرابينوز. تم قسمة كل قيمة على القيمة في الوقت صفر.

    أظهرت هذه المسوخات تثبيط النمو المعتمد على McrBC عندما تم إحداث M.PvuII ، ولكن ليس في الحالة المكبوتة (الشكل 6). لوحظ تثبيط بوساطة McrBC في ليكسا(Ind -) mutant كان أقوى من ذلك في تفصيل + سلالة ولكن ليست قوية كما في recA سلالة (الشكل 5 أ). تفسير بسيط لهذه النتيجة هو أن الخلل في الإصلاح في recA- المتحولة السلبية لا يمكن أن تُعزى بالكامل إلى عدم وجود استجابة SOS. بعبارة أخرى ، من المرجح أن تلعب RecA دورًا مباشرًا ، على الأرجح ، في إصلاح إعادة التركيب. ال ليكساأظهرت سلالة (Ind -) أيضًا فقدانًا شديدًا لصلاحية الخلية بعد 30 دقيقة من الاستقراء (الجدول 3). النتائج مع ليكسا(Def) يصعب تفسيرها لأن ملف ليكسا(مواطنه) mcrB1 أظهرت السلالة نموًا بطيئًا. ومن المعروف أن ليكسا(Def) طفرة تؤخر النمو حتى في سولا- خلفية سلبية [60]. يمكن المبالغة في هذا التأثير مع تكسر الكروموسوم بوساطة McrBC عند مثيلة الجينوم. ال كتم mutant كان لا يمكن تمييزه عن تفصيل + (كتم +) إجهاد في هذه القياسات. من هذه النتائج ، استنتجنا أن كل من استجابة SOS وإعادة تركيب / إصلاح الحمض النووي بوساطة RecA / RecBCD يؤثران على موت / بقاء الخلية عند إجراء McrBC على الجينوم الميثيلي. ومع ذلك ، لا تستطيع أنظمة الإصلاح منع موت الخلايا عند حدوث مثيلة وانقسام كروموسوم واسع النطاق. تتوافق هذه الملاحظات مع فرضيتنا القائلة بأن مثيلة الكروموسوم تؤدي إلى الانقسام المميت بوساطة McrBC.

    عمومية وخصوصية عمل McrBC ضد ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي

    من أجل التحقيق في عمومية وخصوصية موت الخلايا بوساطة McrBC فيما يتعلق بخصوصية DNA methyltransferase ، عبرنا عن McrBC في خلية تحمل واحدًا من عدة ميثيل ترانسفيراز بخصائص مختلفة. أولا، mcrBC من بكتريا قولونية تم وضعه تحت Pسيء المروج (pEF46 في الجدول 1). كما هو متوقع ، أدى تحريض McrBC في خلية تؤوي ترميز بلازميد آخر M.PvuII (CAG m4 CTG) إلى موت الخلية في اختبار تكوين المستعمرة (الشكل 7). أدى تحريض McrBC أيضًا إلى موت الخلية باستخدام M.SinI (GGW m5 CC) و M.MspI (m5 CCGG) (الشكل 7) ولكن ليس مع M.SsoII (C m5 CNGG) (البيانات غير معروضة). تتوافق هذه النتائج مع خصوصية تسلسل Rm C المرصودة لـ McrBC في المختبر [33]. تفسيرنا هو أن McrBC لديه القدرة على العمل كنظام دفاع ضد العديد من ناقلات ميثيل الحمض النووي ذات الخصوصية المناسبة.

    موت الخلايا بوساطة McrBC باستخدام ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي. الخلايا (BIK18308) التي تأوي pEF46 (صسيء-mcrBC انظر المواد والطرق) و pEF43 (M.PvuII) ، pSI4 (M.SinI) ، pNW106RM2-3 (M. مل أمبيسلين ، و 0.2٪ جلوكوز أو 0.2٪ أرابينوز. تم تحضين اللوحات طوال الليل عند 37 درجة مئوية.

    تكشف التحليلات التطورية الجزيئية لـ McrB و McrC عن فقدهما المتكرر والانتقال الأفقي بين الجينومات ذات الصلة البعيدة

    توفر النتائج التجريبية المذكورة أعلاه إجابة على السؤال الذي صاغناه أولاً. من المحتمل جدًا أن يشق McrBC كروموسومات المضيف ويسبب موت الخلية عند مثيلة الجينوم وأن موت الخلية هذا يمنع انتشار جين ميثيل ترانسفيراز (الشكل 1 ب). تم إثبات أن McrBC أيضًا يحد بشدة من العاثيات التي تحمل هيدروكسي ميثيل C بدلاً من C في جينوماتها [34 ، 35 ، 61 ، 62]. أي من الإجراءات التالية لـ McrBC توفر ميزة انتقائية لانتشارها وصيانتها أثناء التطور؟

    من أجل معالجة هذا السؤال ، ركزنا على تشابه McrBC مع أنظمة RM من النوع الثاني في عمل قتل المضيف بواسطة انقسام الكروموسوم. كما هو موضح في الشكل 1 أ ، عندما يتم استبدال معقد الجين من النوع II RM بعنصر وراثي منافس ، فإن إنزيم تقييد المنتج الخاص به سوف يشق كروموسومات المضيف التي ينخفض ​​فيها المثيلة ويقتل المضيف (الشكل 1 أ) [22]. هذا يؤدي إلى بقاء الخلايا التي تحتفظ بمركب الجين RM ولكن ليس منافسها. قد يساهم نظام McrBC أيضًا في استبعاد أنظمة المثيلة اللاجينية (الشكل 1 ب). التناقض بينهما هو أن إجراء McrBC يتبع اكتساب المثيلة ، بدلاً من فقدان المثيلة.

    تشير احتمالية قتل المضيف بواسطة أنظمة RM من النوع الثاني إلى استقلالها النسبي عن المضيف. إنها تعمل كوحدة اختيار ، وفي هذا الصدد ، قد تكون مشابهة للجينومات الفيروسية ، الينقولات والعناصر المتحركة الأنانية الأخرى. في الواقع ، هناك الآن العديد من خطوط الأدلة على تنقل أنظمة RM من النوع الثاني [21]. وتشمل هذه الأدلة التطورية الجزيئية على انتقالها الأفقي الواسع بين بدائيات النوى ذات الصلة البعيدة ، والنقل بواسطة عناصر متحركة مثل البلازميدات والارتباط بالجينات المرتبطة بالتنقل. من المحتمل بسبب هذا التنقل ، بالإضافة إلى القدرة على قطع الحمض النووي الوارد ومحاربة العناصر المتنافسة بقتل المضيف ، تنتشر أنظمة RM من النوع الثاني في جميع أنحاء Prokaryota. غالبًا ما تُفقد من الجينوم بسبب طفرات مختلفة [21]. وهي متنوعة تمامًا في التعرف على التسلسل بسبب الاختيار المعتمد على التردد في الدفاع ضد الحمض النووي الوارد [63] و / أو بسبب التنافس المتبادل على تسلسل التعرف في قتل المضيف [18]. سألنا عما إذا كانت متجانسات McrBC تظهر خصائص مماثلة. إذا فعلوا ذلك ، فقد نأخذها كدليل يدعم الفرضية القائلة بأن McrBCs قد تطورت لقدرتها على قتل الخلية المضيفة في منافسة أنظمة مثيلة الجينوم والتصرف كعناصر متحركة أنانية.

    من أجل معالجة هذه النقاط وتقييم الفرضيتين المذكورتين أعلاه لـ McrBC ، قمنا بفحص تاريخها التطوري. باستخدام تسلسل McrB و McrC من بكتريا قولونية كاستعلامات لعمليات بحث PSI-BLAST [64] ، حددنا 199 نظامًا متماثلًا شبيهًا بـ McrBC ، تشتمل عادةً على عوامل تشغيل مع مكرب-مثل الجين متبوعًا ب mcrC-مثل الجين (انظر أيضًا أدناه). يتم توزيع متماثلات نظام McrBC على نطاق واسع في البكتيريا والأركيا (الجدول S1 في ملف بيانات إضافي 1) ، مثل ، على سبيل المثال ، النوع الأول أو النوع الثاني من أنظمة RM [17]. لو mcrBC تُظهر المتجانسات توزيعًا ضيقًا جدًا وهذا يرتبط بتوزيع العاثيات باستخدام هيدروكسي ميثيل C ، وقد يتم تفضيل فرضية دفاع العاثيات. نعالج هذه القضايا في المناقشة.

    تكشف الأشجار التطورية المحسوبة من محاذاة تسلسل متعددة لتسلسل McrB و McrC (المواد والأساليب) عن طوبولوجيا متشابهة جدًا ، مما يشير إلى التطور المشترك القوي لهذين البروتينين (الشكل S1 في ملف البيانات الإضافية 2). تكشف تسعة فروع مدعومة من التمهيد عن العلاقات بين التسلسلات من الأصناف المختلفة ، مما يشير إلى احتمال كبير جدًا لأحداث نقل الجينات الأفقية البعيدة ، والتي تعد أيضًا سمة من سمات تطور أنظمة RM من النوع الثاني [15 ، 65]. في الحالات المذكورة أعلاه ، يبدو أن McrB و McrC قد عانوا من النقل الأفقي المشترك.

    ال mcrBC معقد الجينات في بكتريا قولونية تم اقتراح الحصول على K12 مؤخرًا [61] ، وهو ما أكده تحليلنا للتطور الوراثي: McrB و McrC من بكتريا قولونية لم يتم العثور على K12 في فرع خاص بـ Proteobacteria (الجزء العلوي من الشجرة في الشكل S1 في ملف بيانات إضافي 2) ، ولكن في فرع يتضمن أيضًا البكتيريا الحمضية Blin 345 (أقرب متماثل لـ بكتريا قولونية McrBC) و Firmicutes و Actinobacteria. بشكل عام ، تشكل الوحدات الفرعية لـ McrBC من الأصناف مثل Proteobacteria أو Actinobacteria أو Firmicutes العديد من الفروع المختلطة في الشجرة ، مما يشير إلى عمليات نقل جينية أفقية متعددة متبوعة بالنشر الرأسي بين الأنواع والسلالات المتباينة.أحد الأمثلة على فرع من الإنزيمات المتشابهة وظيفيًا من أصناف مختلفة تمامًا تم توفيره من قبل عائلة أنظمة RM من النوع الثاني غير المعتاد ذات الصلة بـ McrBC (بما في ذلك LlaI [66] و BsuMI [67] و LlaJI [68] ومثيلاتها غير المميزة تجريبيًا) التي تشق الحمض النووي غير الميثيل ويصاحبه زوج من نوع ناقل ميثيل الحمض النووي IIS من النوع للحماية من انقسام الحمض النووي الخاص بهم (المسمى النوع الثاني من الفصيلة الفرعية R في الشكل S1 في ملف البيانات الإضافية 2).

    هناك ميزة أخرى كشفت عنها أشجار النشوء والتطور وهي وجود فئتين فرعيتين متباعدتين بشدة من أنظمة شبيهة بـ McrBC ، أحدهما يضم McrBC المعروف (على سبيل المثال ، واحد من بكتريا قولونية K12) والأنظمة الشبيهة بـ McrB (على سبيل المثال ، إنزيمات النوع الثاني المذكورة أعلاه) ، والآخر يشتمل فقط على متماثلات غير معروفة تشبه McrBC ذات وظيفة غير معروفة ، مع مكون مشابه لـ McrC معرف على أنه عائلة بروتين غير مميزة DUF524. من المثير للاهتمام أن أعضاء هاتين العائلتين الفرعيتين يظهرون توزيعًا نسبيًا مكملًا تقريبًا تقريبًا ، أي على الرغم من وجودهم في أصناف مماثلة ، إلا أنهم لا يتواجدون معًا في جينوم واحد (الجدول S2 في ملف بيانات إضافي 3 والجدول S1 في ملف بيانات إضافي 1) ، والذي ربما يعكس درجة معينة من عدم التوافق المتبادل بينهما.

    تتوافق الأحداث القليلة الخاصة بالنقل الأفقي البعيد المشار إليه على أشجار النشوء والتطور فقط مع تلك الحالات حيث تم العثور على متماثل McrB (و / أو McrC) من أحد الأصناف المضمنة في فرع يشتمل على تصنيف مختلف (على سبيل المثال ، دينوكوكس داخل Gammaproteobacteria) وحيث يحتوي هذا الفرع على دعم bootstrap & gt50٪. هذا تقدير متحفظ للغاية لأحداث نقل الجينات الأفقي. تكشف الأشجار عن العديد من الحالات الأخرى للفروع ذات الأصناف المختلطة ، لكن دعمها الأساسي هو & lt50٪ ، مما يشير إلى عدم وجود دعم إحصائي لطوبولوجيا الأشجار المحلية. عندما قارنا أشجار McrB و McrC بأشجار الرنا الريباسي 16S المحسوبة لنفس المجموعة من الأنواع (الشكل S2 في ملف البيانات الإضافية 4) ، وجدنا العديد من الخلافات في الفروع العميقة ، والاتفاق فقط في الفروع القصيرة التي تربط الأنواع وثيقة الصلة. يشير هذا التحليل إلى أن أنظمة McrBC قد تم نقلها أفقيًا عدة مرات ، ولكن بالطبع تم توريثها أيضًا عموديًا عن طريق مجموعات متقاربة من الكائنات الحية تشع من سلفها المشترك (على سبيل المثال ، عن طريق سلالات من نفس النوع ، مثل العقدية الرئوية, العطيفة الصائمية، أو يرسينيا بيستيس). ومع ذلك ، من الصعب للغاية تحديد معدل النقل الأفقي البعيد عن طريق تحليل شجرة ذات دعم إقلاع متغير للغاية للعقد المختلفة ، لذلك لجأنا إلى استراتيجية مستقلة.

    نشر Gojobori وزملاؤه [69] تحليلًا لـ 116 جينوم بدائية النواة متسلسلة تمامًا ، حيث قاموا بحساب مؤشر للنقل الأفقي المحتمل البعيد لجميع الجينات ، من خلال مقارنة تكرار "الكلمات" لطول البنتانوكليوتيد داخل كل جين مع متوسط ​​تكرار الكلمات من الجينوم بأكمله. لقد حصلنا على مجموعة بيانات محدثة لـ 165 جينومًا من الدكتور ناكامورا والدكتور Gojobori (اتصال شخصي). من بين هذه الجينومات ، 29 يحتوي على متماثلات McrB و McrC (D. radiodurans يحتوي على متماثل McrB إضافي واحد). لقد قمنا بتحليل مؤشر النقل الأفقي لجميع الجينات التي تشفر متماثلات McrB و McrC ووجدنا أن 9 جينات متماثلة McrB (9/30 = 30٪) و 10 جينات متماثلة McrC (10/29 = 35٪) تعرض ترددات كلمة تشير إلى احتمالية كبيرة لنقل الجينات الأفقي البعيد. وهكذا ، في عينة أنظمة McrBC ، التي تتوفر عنها البيانات ، يبدو أن الثلث تقريبًا قد تم اشتقاقه بواسطة حدث نقل جيني أفقي حديث من مجموعة ذات صلة بعيدة. بالنسبة لنفس مجموعة الجينومات ، أجرينا أيضًا تحليلًا لمؤشر النقل الأفقي للجينات من عائلتين مرجعيتين من بروتينات "حفظ المنزل": RecA و RpoB. لم نعثر على أعضاء من جينات RecA أو RpoB في هذه العينة ليتم التنبؤ بها على أنها تم نقلها مؤخرًا.

    لقد وجدنا أن المركب الجيني McrBC يميل إلى الفقد بشكل متكرر ، حيث لم يتم العثور على تصنيف أعلى رتبة تمتلك فيه جميع الجينومات المتسلسلة بالكامل هذا النظام. من بين 567 جينومًا متسلسلًا بالكامل بحثنا فيه عن متماثلات McrB / C ، وجدنا McrB في 112 حالة فقط (19.8٪) و McrC في 108 حالة (19.0٪) تم العثور على McrB و McrC معًا في 107 حالات (18.9٪). وبالتالي ، نستنتج أن أنظمة McrBC تنتقل بشكل متكرر عن طريق نقل الجينات الأفقي (بالإضافة إلى النقل العمودي المنتظم) ، ولكنها أيضًا تُفقد كثيرًا. هذا يجادل ضد الفرضية القائلة بأنه يتم الحفاظ عليها فقط بسبب فائدتها للدفاع ضد العاثيات أو الطفيليات الأخرى ويفضل الفرضية التي تتصرف كعناصر متحركة أنانية (تقتل المضيف).

    يشير تحليل الحي الجينومي لأنظمة McrBC إلى قابليتها للتنقل والارتباط بأنظمة مثيلة الجينوم

    غالبًا ما توجد معقدات الجينات من النوع الثاني RM في العناصر المتحركة مثل البلازميدات والعاثيات والإنتيجونات والجزر الجينومية [21]. وفقًا لذلك ، غالبًا ما يتم ربطهم بالجينات المرتبطة بالحركة مثل متماثلات transposase و Integrase homologs. فحصنا أحياء mcrBC متماثلون يتوقعون العثور على جينات مماثلة.

    كشف تحليل الحي الجينومي (الجدول S2 في ملف البيانات الإضافية 3 ، انظر الجدول S1 في ملف البيانات الإضافية 1 لمجموعة البيانات الكاملة) أن McrB و McrC مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ببعضهما البعض ، مما يشير إلى بنيتهما كعامل واحد. غالبًا ما ترتبط مع متماثلات العبارات المتكاملة و transposases (الجدول S2 في ملف البيانات الإضافي 3 والجدول S1 في ملف البيانات الإضافي 1). من الواضح أن العديد من متجانسات McrBC تحدث كإدراج في مجمع الجينات RM (الشكل 8). بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على ثمانية أنظمة شبيهة بـ McrBC على بلازميد (الجدول S1 في ملف بيانات إضافي 1). تشير هذه الأسطر الثلاثة من الأدلة إلى إمكانية تنقل mcrBC وحدة. ال mcrBC غالبًا ما كانت المتجانسات مرتبطة بأنظمة RM أو مجرد نقل ميثيل الحمض النووي (الجدول S2 في ملف البيانات الإضافية 3) ، كما لوحظ لأول مرة في بكتريا قولونية [70]. الآثار المترتبة على هذه النتيجة تناقش أدناه.

    mcrBC-مثل المتماثلات التي يتم إدخالها على ما يبدو في معقد الجين RM. تشير أسماء إطارات القراءة المفتوحة إلى أسماء الإنزيمات (REBASE) أو علامات الموقع (GenBank).

    بعض الجينومات ، مثل Deinococcus radiodurans جينوم R1 ، يحتوي على اثنين mcrBC متماثلون ، وأحيانًا يكون أحدهم على البلازميد والآخر في الكروموسوم. كشفت محاذاة هذه الأزواج من متماثلات McrB الموجودة في نفس الجينوم أن تسلسل الأحماض الأمينية الخاصة بهم غالبًا ما يختلف في المنطقة الأمينية الطرفية ، والتي تشارك في ربط الحمض النووي [46] ، مما يشير إلى التحولات التطورية في خصوصية تسلسل الحمض النووي (الشكل 9). هذا يوازي التنوع في التعرف على التسلسل لأنزيمات تقييد وتعديل النوع الثاني.

    مقارنة نقطية بين الذرات مكرب Paralogs. تسلسل الأحماض الأمينية من زوج من مكرب تم رسم المتماثلات داخل جينوم واحد ضد بعضها البعض.

    للتحقيق في العلاقة بين تنوع منطقة McrB amino-terminal والتعرف على التسلسل ، تم إجراء العديد من متماثلات McrBC و STOMcrBC (NP_377078.1) و STOMcrBC2 (NP_377080.1) من شارع سولفوروبس توكودايي. 7 ، TKOMcrBC (YP_183208.1) و TKOMcrBC2 (YP_183422.1) من ثيرموكوكوس كوداكاراينسيس KOD1 و DraMcrBC (NP_051672.1) من D. radiodurans تم تضخيم R1 من DNA الجينوم واستنساخه في pBAD30 [51]. هؤلاء mcrBC لم يتسبب المتماثلون في موت الخلايا في بكتريا قولونية عند 37 درجة مئوية في وجود أرابينوز في خلية تؤوي أيًا من جينات ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي الأربعة ، M.PvuII (CAG m4 CTG) ، M.SinI (GGW m5 CC) ، M.MspI (m5 CCGG) ، أو M. SsoII (C m5 CWGG) (البيانات غير معروضة). EcoKMcrBC من بكتريا قولونية تسبب في مثيلة الجينوم لاستشعار موت الخلية بواسطة M.SinI (GGW m5 CC) و M.MspI (m5 CCGG) تحت نفس الحالة (الشكل 7). لذلك ، لم نتمكن من ربط هذه المتجانسات ببيولوجيا الكائنات الحية.


    الملخص

    تؤسس العديد من البكتيريا البروتينية ألفا تفاعلات طويلة الأمد ، وغالبًا ما تكون مزمنة ، مع حقيقيات النوى الأعلى. تتراوح هذه التفاعلات من الاستعمار المحيط بالخلايا من خلال الضرب الاختياري داخل الخلايا لإلزام أنماط الحياة داخل الخلايا. من السمات الشائعة في هذا النطاق الواسع من التفاعلات تعديل تكاثر الخلايا المضيفة ، والذي يؤدي أحيانًا إلى تكوين هياكل شبيهة بالورم يمكن للبكتيريا أن تنمو فيها. تكشف تحليلات الجينوم المقارنة عن انخفاض الجينوم عن طريق فقدان الجين في سلالات البكتيريا البروتينية داخل الخلايا ، وتوسع الجينوم عن طريق تكرار الجينات ونقل الجينات الأفقي في الأنواع الحية الحرة. في هذه المراجعة ، نناقش تطور جينوم البكتيريا البروتينية ألفا ونبرز الاستراتيجيات والآليات التي تستخدمها هذه البكتيريا للإصابة والتكاثر في الخلايا حقيقية النواة.


    شاهد الفيديو: البكتيريا الجزء الاول (كانون الثاني 2022).